ASTM A335 P91 冷彎後感應式熱處理之鐵碳相位圖分析研究 (Analytical Study of Iron-Carbon Phase Diagram for ASTM A335 P91 after Cold Bending and Induction Heat Treatment)

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緒論：先進肥粒鐵馬氏體鋼在能源工業中的戰略地位

在現代能源轉換系統中，提升熱效率與減少二氧化碳排放的關鍵在於提高操作溫度與壓力。超臨界（SC）與超超臨界（USC）發電機組要求鍋爐及蒸汽管線系統具備極高的抗高溫氧化性與長期蠕變強度 1。ASTM A335 P91 鋼（9Cr-1Mo-V-Nb）作為一種改良型 9% 鉻鋼，自 20 世紀 70 年代由美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）開發以來，已成為化石燃料電廠及核能工業中最重要的結構材料之一 3。

P91 鋼之所以能在 540 °C 至 650 °C 的高溫環境下維持優異的力學性能，主要歸功於其經過精確熱處理形成的微觀組織：高位錯密度的回火馬氏體基體、沿原奧氏體晶界（PAGBs）分佈的 M23C6 型碳化物，以及彌散分佈在基體內部的細小 MX 型碳氮化物 6。相比於其前輩 P22 鋼，P91 的強度優勢允許設計者顯著減少管壁厚度，減少量可達 2:1 比例，這不僅減輕了支吊架的載荷，還降低了銲接成本與熱疲勞風險，其熱疲勞壽命幾乎是傳統等級的 10 倍 1。

然而，在實際工程應用中，大口徑厚壁管線常需進行冷彎（Cold Bending）加工。冷彎過程誘導的強烈塑性變形會顯著增加材料內部的位錯密度並累積儲存能（Stored Energy），進而改變材料在後續熱處理過程中的相變動力學 9。感應式熱處理（Induction Heat Treatment）因其加熱速度快、均勻性佳及可精確控制加熱區域，成為 P91 彎管恢復組織性能的首選方案 1。本研究旨在深入分析冷彎變形與感應加熱協同作用下 P91 鋼的鐵碳相圖偏移規律，探討非平衡態下的微觀組織演變機制。

 

一、P91 鋼的化學冶金與合金化原理

P91 鋼的卓越性能源於其複雜的合金化設計，每一種添加元素對平衡相界（A1, A3）及非平衡相變溫度（Ac1, Ac3, Ms）均有特定貢獻。

1.1 合金元素對組織穩定性的影響

鉻（Cr）是 P91 鋼的核心元素，含量通常在 8.00% 至 9.50% 之間。Cr 的主要作用是形成穩定的奧氏體並提升抗高溫腐蝕能力，同時它是 M23C6 碳化物的關鍵組成部分，能夠提高臨界相變溫度並增加硬化能力 1。鉬（Mo）主要貢獻固溶強化，並顯著提升抗高溫蠕變強度，同時它能增加鋼的彈性極限與耐磨性，並降低材料對脆化的敏感性 1。釩（V）與鈮（Nb）的添加促使細小 MX 型（如 V(C,N) 或 Nb(C,N)）析出相的形成，這些細小顆粒能有效釘紮位錯及晶界，延緩蠕變過程中的亞晶組織恢復與晶粒粗化 6。

下表展示了 ASTM A335 P91 Type 1 與 Type 2 在化學成分上的細微差別，反映了 Type 2 對雜質元素及合金比例更為嚴格的控制策略：

元素 P91 Type 1 含量 (%) P91 Type 2 含量 (%) 主要功能與影響
碳 (C) 0.08 – 0.12 0.08 – 0.12 形成碳化物，影響馬氏體強度
鉻 (Cr) 8.00 – 9.50 8.00 – 9.50 提升抗氧化性，提高 Ac1 溫度
鉬 (Mo) 0.85 – 1.05 0.85 – 1.05 提升高溫蠕變強度，抑制晶粒生長
釩 (V) 0.18 – 0.25 0.18 – 0.25 形成細小 MX 相，釘紮位錯
鈮 (Nb) 0.06 – 0.10 0.06 – 0.10 提升高溫熱穩定性，細化晶粒
錳 (Mn) 0.30 – 0.60 0.30 – 0.60 增加硬化能力，降低  Ac1溫度
矽 (Si) 0.20 – 0.50 0.20 – 0.50 提升抗氧化性
鎳 (Ni) ≦0.40 ≦0.40 增加韌性，顯著降低  Ac1溫度
鋁 (Al) ≦0.02 ≦0.02 脫氧劑，含量過高會損害蠕變強度

數據來源參考：1

 

1.2 合金元素對臨界相變溫度的定量影響

在鐵碳相圖分析中，合金元素的加入會改變共析溫度與奧氏體區的範圍。對於 P91 這種高合金鋼，平衡態下的相界已顯著偏離純鐵碳二元系統。Ni 和 Mn 是強大的奧氏體穩定元素，會顯著降低 Ac1 溫度；而 Cr、Mo、V、Nb 則是肥粒鐵穩定元素，會傾向於升高臨界溫度 1。研究顯示，P91 鋼的  Ac1溫度通常在 810 °C 附近，而 Ac3 在 910 °C 以上 3。Santella 開發的線性回歸方程常用於精確預測 9Cr 鋼的 Ac1 溫度，這對於避免熱處理溫度過高至關重要：

Ac1 (°C) = 805 + 2.5(Cr) + 18.1(Mo) + 19.1(Si) + 37.1(V) + 19.2(Nb) – 63.7(C) – 130.6(N) – 60.5(Mn) – 72.3(Ni) 21

此外，鋼中的氮（N）含量與鋁（Al）含量的控制對蠕變性能影響極大。N 是強化元素，能提升 MX 相的穩定性；而過高的 Al 會消耗固溶 N，導致蠕變斷裂壽命縮短 1。

 

二、管線冷彎加工過程中的微觀組織演變與能量累積

冷彎加工是管線製造中的關鍵步驟，其力學過程不僅改變幾何形狀，更在材料內部埋下了深遠的冶金影響。

2.1 應變分佈與加工硬化機制

管線冷彎時，中性軸兩側的材料經歷完全不同的應力路徑：外弧側（Extrados）承受強烈的拉伸應力而導致壁厚減薄，內弧側（Intrados）則因壓縮應力而增厚 9。這種變形場導致了顯著的組織異質性。微觀上，冷彎引發了強烈的加工硬化，這主要源於位錯密度的急劇增加。對於具有馬氏體初生組織的 P91 鋼，變形會破壞原有的板條結構，位錯在板條界與亞晶界發生強烈堆垛與纏結 9。

實驗數據指出，P91 鋼在經歷冷變形後，屈服強度與抗拉強度會顯著提升，但其延展性與衝擊韌性會大幅下降 5。加工硬化指數（n）在該類鋼種中通常分佈在 0.2 到 0.7 之間，具體取決於初生組織與變形溫度 30。

區域 應力狀態 厚度變化 位錯與組織特徵 硬度響應
外弧側 拉伸 減薄 晶粒拉長，位錯密度極高，產生剪切帶 顯著升高
中性軸 剪切/零應變 無變化 接進原始回火馬氏體組織 保持不變
內弧側 壓縮 增厚 晶粒受壓變形，位錯纏結嚴重 顯著升高

數據來源參考：2

 

2.2 位錯能與儲存能的熱力學含義

塑性變形過程中所消耗的能量大部分轉化為熱量散失，但仍有約 5-10% 以彈性能的形式儲存在晶體缺陷（主要是位錯）中，這被稱為儲存能（Stored Energy） 10。儲存能 Es 與位錯密度 ρ 之間的關係可近似表示為：

Es ≒σ*Gb2*ρ

其中  σ為幾何常數，G 為剪切模量，b 為伯格斯矢量。對於冷彎後的 P91 鋼，位錯密度可達到 1014 至 1015 m-2 量級 11。這部分儲存能在隨後的感應熱處理中具有重要意義：它提供了再結晶與相變的額外驅動力。在傳統平衡相圖分析中，相變僅由化學位能驅動，但在冷彎件中，總驅動力 ΔGtotal 增加了畸變能項，這使得奧氏體的成核門檻降低，理論上會導致 Ac1 溫度的提前下移，並加速再結晶進程 31。

 

三、感應式熱處理的物理機制與非平衡相變

感應加熱與傳統電阻爐加熱在物理本質上存在顯著差異，主要體現在能量轉換效率與加熱動力學上。

3.1 電磁感應與集膚效應分析

感應加熱利用交變磁場在導體內部感應出渦流（Eddy Current），並通過焦耳效應產生熱量 13。集膚效應（Skin Effect）決定了熱量的初始分佈，其滲透深度 δ 受材料導電性與頻率影響：

δ= √ρ/πμƒ

對於厚壁 P91 管線，頻率的選擇至關重要。中頻感應加熱（Medium Frequency）常用於厚壁管，以確保熱量能穿透至管材中段而不至於造成表面過熱 13。相比傳統火焰加熱或電阻加熱，感應加熱能提供更高的功率密度，使材料在極短時間內（互動時間短）達到目標溫度，減少了高溫氧化與不必要的晶粒粗化風險 13。

3.2 高升溫速率下的臨界相變溫度偏移

感應熱處理的核心特徵是極高的加熱速率（50 至 150 °C/s）。在高加熱速率下，奧氏體的轉變表現出明顯的遲滯現象。由於奧氏體成核與碳原子的擴散需要時間，當加熱速率極快時，相變起點 Ac1 與終點 Ac3 會向高溫方向偏移 6。

實驗觀察顯示，在 50 °C/s 的加熱速率下，P91 鋼的 Ac1 可能從平衡態的 820 °C 漂移至 870 °C 甚至更高 6。這種偏移使得熱處理工藝的窗口發生變化：在感應銲後熱處理（PWHT）中，若不考慮此偏移，傳統建議的 760 °C 溫度雖然安全，但若因感應控制不當導致瞬間超過 800 °C，材料內部的冷彎儲存能可能會加速局部再奧氏體化，進而產生不均勻的顯微組織 1。

 

四、冷彎與感應加熱協同作用下的析出相演變動力學

P91 鋼的抗蠕變強度依賴於細小彌散的析出相。在感應加熱的高速熱循環中，這些相的溶解與析出規律呈現高度動態性。

4.1 M23C6 碳化物的快速溶解與 Ms 偏移

M23C6 碳化物（主要為 Cr23C6）是 P91 鋼中最主要的強化相，通常沿晶界分佈以阻礙晶界滑移。在感應加熱至奧氏體化溫度（1050 °C）的過程中， M23C6 的溶解非常迅速。研究發現，在 1050 °C 下僅需 1 分鐘，M23C6 就會基本消失，並將 Cr 釋放到奧氏體基體中 6。

這種溶解行為直接影響馬氏體轉變開始溫度（Ms）。隨著 Cr 和 C 溶入奧氏體，基體的化學穩定性增加，導致 Ms 溫度下降。冷彎變形區域的高位錯密度會作為碳原子的快速擴散通道，進一步加速 M23C6 的溶解。這種現象在非平衡鐵碳相圖中表現為：變形區域在感應加熱過程中會比未變形區域更早達到基體均勻化，從而在冷卻後獲得更細小的馬氏體組織 6。

4.2 MX 碳氮化物的穩定性與晶粒釘紮

MX 型析出相（如 Nb(C,N)）在 P91 鋼中具有極高的熱穩定性。與 M23C6 不同，Nb 富集的 MX 相在 1050 °C 的常規奧氏體化溫度下幾乎不溶解，顆粒尺寸維持在 200-400 nm 6。這些穩定的 MX 相通過 Zener 釘紮力有效限制了奧氏體晶粒的生長。

然而，富 V 的 MX 相（如 V(C,N)）在 1050 °C 下會發生漸進式溶解，並在加熱 4 分鐘後完全消失。這種溶解釋放出的 V 和 N 會改變局部化學位位勢，影響後續冷卻時的相變路徑 6。在感應熱處理中，由於高溫保持時間通常極短，這種析出相的「選擇性溶解」導致了基體成分的高度異質性，這也是感應熱處理工法需要精確參數優化的原因。

 

五、鐵碳系統中的再結晶與相變競爭機制

冷彎後的 P91 鋼在感應加熱過程中，內部存儲的畸變能觸發了再結晶與回覆反應，這與奧氏體化相變構成了競爭關係。

5.1 位錯誘導的再結晶動力學

在 P91 這種具有高疊差能的材料中，變形後容易發生動態或靜態回覆。感應加熱的極高溫升速率限制了回覆的時間，使得大量位錯能量被保留到再結晶溫度區域。在 600-800 °C 區間，冷彎區域會發生強烈的再結晶現象，這在鐵碳相圖上表現為肥粒鐵基體的組織重構 9。

研究指出，冷彎後的快速感應加熱能引發「應變誘導相變」（SIPT），即在低於正常 Ac1 溫度的情況下，在位錯聚集處提前發生局部奧氏體化 33。這對於消除冷彎產生的加工硬化極為有效，但也可能導致晶粒尺寸的不均勻分佈。

5.2 晶粒細化與性能恢復的協同效應

冷彎結合感應熱處理是實現 P91 鋼組織細化的有效手段。通過冷彎引入的位錯提供大量成核位點，配合感應加熱極短的晶粒生長窗口，可以將原奧氏體晶粒尺寸（PAGS）從傳統工藝的 20-40 μm 細化至 5 μm 以下 26。

工藝參數 傳統電阻爐熱處理 冷彎 + 感應式熱處理 影響結果
加熱速率 慢 (0.1 – 0.5 °C/s) 快 (50 – 150 °C/s) 感應加熱抑制晶粒生長
初始組織 靜態回火馬氏體 高位錯密度變形馬氏體 冷彎提供額外驅動力
原奧氏體晶粒尺寸 25 – 45 μm 3 – 8 μm 細晶強化提升韌性
碳化物分佈 沿原晶界粗大 彌散、細小均勻 提升蠕變抗力

數據來源參考：6

 

細化的晶粒不僅提升了材料的室溫強度與低溫韌性，還能顯著改善其疲勞極限，並降低氫脆敏感性 26。對於核能（如 PGSFR 鈉冷快堆）及超臨界發電站的關鍵組件，這種組織優化具有極高的工程價值。

 

六、感應熱處理工藝參數的深度優化與控制

感應熱處理的效果高度依賴於電參數與熱循環過程的精確匹配。

6.1 功率密度與滲透深度的工程實踐

功率密度 Pv 的選擇直接決定了管壁內外的溫度梯度。對於厚壁 P91 管線，若功率密度過高，表面溫度會迅速超過 Ac3 而內部仍處於 Ac1 以下，造成嚴重的組織不均勻及熱應力開裂 13。典型的中頻感應系統頻率設定在 1-10 kHz，以平衡滲透深度與加熱效率 13。

感應線圈的設計與管線幾何形狀（特別是彎頭部位）的適配性同樣關鍵。感應加熱系統應具備閉環控制與多點溫度監控，以確保整個彎管區域（內弧、外弧、中性軸）都能達到一致的熱處理溫度。先進的感應系統能將內外壁溫差控制在 10 °C 以內，這對於保證 P91 組織一致性至關重要 1。

6.2 銲後熱處理（PWHT）與彎管恢復的溫度窗口

對於 P91 鋼，回火溫度窗口極為狹窄。標準要求在 730 °C 至 800 °C 之間，通常工業實踐取 760 °C 1。

  1. 低於 730 °C：回火不足，位錯密度過高，殘餘應力無法完全釋放，導致材料硬度過高（> 300 HV）且韌性不足 4。
  2. 高於 800 °C：接近或超越 Ac1，觸發局部再奧氏體化。隨後冷卻形成的未回火馬氏體會極大削弱材料的蠕變抗力，甚至導致早期的 IV 型裂紋失效 1。

感應加熱由於其快速反應特性，在接近 Ac1 溫度時需格外謹慎。考慮到冷彎儲存能對 Ac1 的下移效應，冷彎件的感應回火溫度應嚴格控制在 750-770 °C 範圍內，並保持充足的保溫時間（通常每英吋壁厚 1 小時）以確保組織均勻化 1。

 

七、CCT 曲線與相變路徑的非平衡特徵分析

連續冷卻轉變（CCT）圖是預測感應熱處理後組織質量的指南。P91 鋼由於高 Cr 和 Mo 含量，其淬透性極佳，幾乎在所有工業冷卻速率下都能獲得 100% 的馬氏體 50。

7.1 馬氏體轉變與硬度分佈

P91 鋼的馬氏體開始溫度（Ms）通常在 380 °C 附近，終止溫度（Mf）可能低於 100 °C 17。感應加熱後的冷卻速率若過快（如水噴淋淬火），會導致極大的熱應力與組織應力疊加，增加開裂風險。冷彎變形區域由於初生晶粒細小，Ms 溫度會略有升高，這在非平衡 CCT 圖上表現為轉變區的向左上偏移 6。

熱處理後的硬度測試是評估 P91 質量的最簡便手段。標準規定硬度應在 196-265 HV (250 HBW) 之間 19。冷彎未處理件的硬度常超過 350 HV，而經過優化的感應回火後，硬度應穩定在 220-240 HV，這標誌著位錯密度的合理恢復與碳化物的均勻析出 9。

7.2 殘餘奧氏體（Retained Austenite）的風險與控制

在高加熱速率的感應熱處理中，基體成分可能未完全均勻化。冷卻後，在合金元素富集區可能保留少量的殘餘奧氏體。這些殘餘奧氏體在服役過程中會發生分解，導致尺寸不穩定與韌性下降 23。研究顯示，通過精確控制冷卻至 100 °C 以下後再進行回火，可以有效減少殘餘奧氏體的含量。在感應熱處理流程中，應包含「徹底冷卻」步驟，確保馬氏體轉變完全後再啟動感應回火循環 1。

 

結論：基於相圖分析的工程應用指引

通過對 ASTM A335 P91 鋼冷彎後感應式熱處理的深度研究，本分析總結出以下關鍵結論與建議：

首先，冷彎加工誘導的位錯能量（儲存能）顯著改變了 P91 鋼的熱力學狀態。在感應加熱過程中，這部分能量與高溫升速率產生協同作用，降低了奧氏體化與再結晶的活化能，為實現超細晶組織（< 5μm）提供了可能。

其次，感應加熱的非平衡特性導致臨界點 Ac1 與 Ac3 的動態向高溫方向偏移。工程師在設定熱處理參數時，必須考量 Ni 和 Mn 含量對 Ac1 的降低作用，以及升溫速率對  Ac1的升高作用 。冷彎件的回火溫度應嚴格限定在 750-770 °C，以防止局部超越 Ac1 導致組織劣化 1。

第三，M23C6 的快速溶解與 MX 相的超高熱穩定性是 P91 鋼感應熱處理的微觀基礎。感應加熱的短時間特性有利於保留 MX 相的釘紮作用，實現晶粒細化 6，但同時需要精確控制保溫時間以確保基體碳濃度的基本均勻。

最後，感應加熱系統應具備高精度的閉環控制能力，特別是在處理幾何不對稱的冷彎管件時，必須通過合理的線圈設計與功率分配，消除內外弧側的組織差異 49。建議在關鍵工程應用中，採用「冷彎 + 感應正火 + 感應回火」的完整循環，以徹底恢復材料的長期蠕變強度與疲勞壽命 。

展望未來，隨著計算熱力學（如 CALPHAD 方法）與數位化感應設備的結合，對 P91 鋼非平衡轉變過程的預測將更加精確，這將為下一代高效、安全的能源基礎設施提供核心的材料保障。

 

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