摘要: 在Thermo-Calc 热力学软件的辅助设计下，制备了一种针对超临界水堆工况的12Cr 低活性铁素体/马氏体钢。通过显微组织观察与分析，同时结合热力学及动力学计算，研究了含12%( vol%) δ 铁素体的12Cr3W 钢析出行为。结果表明: 1050 ℃淬火780 ℃回火后， 12Cr3W钢中析出相主要为M23C6和Cr2N。M23C6主要在回火马氏体内析出，而针状Cr2N 则主要在δ 铁素体内析出，Cr2N 相对于M23C6容易发生粗化长大，计算结果与实验值吻合。12Cr 钢淬火回火后的析出相组成受δ 铁素体影响。借助于Thermo-Calc 软件计算得到的热力学平衡相图选择合适的淬火温度，可以有效控制淬火后δ 铁素体相含量，从而优化显微组织中析出相。由于超临界水堆苛刻的服役条件( 高温，高压，腐蚀，辐照等等) ，用于包壳管用的合金钢必须有良好的组织稳定［1］。先进的9-12Cr 铁素体/马氏体( F /M) 钢是极具潜力的第IV 代反应堆候选材料，既可用于堆芯包壳管，也可用于代替堆外某些低合金钢结构件［2］。此系列钢通过奥氏体化，淬火以及( 680～ 780 ℃) 高温回火就能获得具有高稳定性的马氏体组织。包壳管要用在工况条件为650 ℃下的超临界水堆，9Cr 低活性F /M 钢无法提供足够高的耐腐蚀性。研究表明，将Cr 含量提高至12 mass%，其耐蚀性能能够满足严苛的工况要求［3］。但由于强铁素体形成元素Cr 的添加，使得淬火后很难获得全马氏体组织，不合适的化学成分或者非平衡凝固会导致马氏体基体上δ 铁素体相的形成［4-5］。一些研究学者认为，δ 铁素体的存在会损害材料的冲击韧性，因为在δ铁素体与马氏体之间缺乏微观组织连贯性［6］，Anderko［7］研究表明，δ 铁素体对钢的不利影响主要是因为在δ 铁素体与马氏体界面处产生的析出物膜，只有在δ 铁素体含量低至2 ～ 3%，才不会形成有害于基体性能的碳化物层，而且能改善材料的冲击性能。Wang 则［8］认为相对软化的δ 铁素体相会提高马氏体钢的塑韧性。产生争议的原因是很难判断δ 铁素体和碳化物对材料性能的影响。δ 铁素体相的存在使得低活性F /M 钢的析出规律呈现复杂性。
近来，析出强化被认为是9-12Cr 钢中最有效的强化方式，回火后显微组织中分布的细小弥散的析出相( M23C6，MX 碳氮化物等) 能够阻碍位错和亚晶界的移动，从而提高蠕变性能［9-10］。铁素体钢亚晶界包含位错网格，相对于亚晶内部结构是硬区域。在显微组织中，伴随亚晶尺寸的减小，硬脆区的体积分数相应增高，从而表现为高的蠕变强度［11］。合金钢能在高温高压下长时间保持小的亚晶尺寸和高位错密度是高蠕变性能的体现。因此，析出物的稳定能促进显微组织保持稳定性，从而提高蠕变性能。Thermo-Calc 软件可用于复杂多元合金体系中稳定相的热力学相平衡计算，是研究与开发新型F /M钢的有力工具［12］。JMatPro 软件［13］是英国Sente 公司于2001 年推出的一种金属材料分析模拟软件，采用Thermo-Calc 数据库来计算合金材料中的多相平衡，并以热力学计算的相组成为基础进行材料性能的预测分析。最近开发的JMatPro 6. 0 包含析出相动力学计算模块，能用于析出相的粗化动力学计算［14］。
本文采用计算和实验相结合的手段，研究了含一定量δ 铁素体的双相12Cr 低活性F /M 钢中淬火回火热处理后的显微组织及其析出相的析出行为。为了充分理解回复过程，研究了静态回复过程回复机制及析出相的粗化规律，为12Cr 系低活性F /M 钢在制作燃料包壳管方面的后续开发提供组织转变理论依据。
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