石墨化

graphitization

简介

钢中渗碳体分解成为游离碳并以石墨形式析出，在钢中形成石墨 “夹杂”的现象。火力发电厂锅炉钢管等高温构件，用低碳钢和低碳钼钢等不含铬的珠光体耐热钢，在高温长期运行过程中会随时间而产生石墨化。图(a) 为石墨化示意图，图 (b) 为低碳钢过热器管长期运行后的石墨化金相照片，图中黑色球状物即为析出的石墨。石墨化现象可用反应式Fe₃C→3Fe+C(石墨)表示。与其他组织性能变化一样，石墨化也是以原子扩散为基础的，因此石墨化只能在一定温度下发生。

低碳钢过热器管的石墨化

(a) 石墨化示意图; (b) 低碳钢过热器管的石墨化(500×)

1—石墨;2—铁素体晶粒;3—已球化的渗碳体

低碳锅炉钢的石墨化是1943年被发现的。当时美国某电厂一条由0.5%Mo钢制的φ325×36 mm主蒸汽管道在505℃运行了5年半后，突然在焊缝热影响区一个截面上脆断，造成厂房损坏和人员伤亡。事后检验发现断裂处析出了大量的链状石墨，钢的冲击韧性降低到接近零的水平。这一事故引起了世界各国的注意，并因此规定了要定期对低碳钼钢管作石墨化检验。继后检验发现，低碳钢和低碳钼钢过热器管和主蒸汽管道等在高温下长期运行后，石墨化现象是普遍存在的。

石墨化评级 为评定石墨化的影响制定的石墨化级别，是一组具有不同程度石墨化的金相图片，以便在电厂金相检验时对照用。一般按析出石墨量的多少分成四个等级： 1级为石墨化现象不明显，2级为已明显石墨化，3级为已严重石墨化，4级为已很严重的石墨化。通常在石墨化3～3.5级时，钢中60%左右的碳均

已成为石墨。

石墨化对钢性能的影响 由于形成石墨，使钢中渗碳体减少并且析出的石墨类似裂纹割裂基体，因此石墨化使钢强度降低。石墨化主要降低钢的冲击韧性和冷弯时的弯曲角。下表说明了石墨化对钢冲击韧性αk和弯曲角的影响，可以看出，石墨化使钢的冲击韧性明显下降，因此对石墨化达到或接近4级的构件，必须予以更换。

影响石墨化的因素 有温度、合金元素、钢中缺陷和焊接等。碳钢450℃以上，0.5%Mo钢在480℃以上产生石墨化。温度愈高，石墨化进程愈快。但到700℃时，已生成的石墨反会与铁结合成渗碳体。合金元素中铝、镍、硅等促进石墨化，其中铝影响最大。铝是炼钢时脱氧加入的，为此规定低碳和低碳钼钢锅炉钢冶炼脱氧时不用铝，或铝加入量每吨钢不超过0.25 kg。铬、钛、铌等元素阻止石墨化，其中以铬最有效。在低碳钢中加入0.3%～0.5%铬就可有效地阻止石墨化。运行经验证明，含铬的珠光体耐热钢在运行中不产生石墨化。金属中裂纹、重皮等缺陷处和应力集中处最易产生石墨化，另外冷变形区域和焊接热影响区域也易产生石墨化。

在低碳钢和低碳钼钢等珠光体耐热钢中，可以同时发生珠光体球化和石墨化过程，这是由于两过程有相同的影响因素(如温度等)作用的缘故。但是，由于两过程又有不同的影响因素，如铝的影响等，并非球化进程同时一定发生石墨化进程。

石墨化对钢弯曲角及冲击韧性αk的影响