A335 P91 高性能耐熱鋼：熱彎、冷作及高溫銲接後正火與回火工法比較分析報告 (Comparative Analysis of Normalizing and Tempering Methods After Hot Bending, Cold Working, and High-Temperature Welding for A335 P91 High-Performance Heat-Resistant Steel)

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一、 P91 鋼材基礎冶金與蠕變強化機制

ASTM A335 Grade P91 是一種高階的 9Cr-1Mo-V-Nb-N 改良型肥粒鐵/馬氏體耐熱鋼，專為高溫高壓應用（例如發電廠的鍋爐、過熱器和再熱器管道）而設計，其最高使用溫度可達 600 °C 左右 1。P91 鋼材的卓越性能，特別是其高溫蠕變強度和耐久性，完全仰賴於其精確控制的化學成分和標準的熱處理工法——即正火與回火（Normalizing and Tempering, N+T）2。

 

1.1 P91 化學成分與目標性能

P91 鋼材的合金設計是一個關鍵的平衡點，旨在獲得穩定且高性能的馬氏體組織 4。其核心組成包括高含量的鉻 (Chromium, 8.00–9.50%) 和鉬 (Molybdenum, 0.85–1.05%) 3。鉻提高了材料的抗氧化性和高溫強度，而鉬則增強了彈性、耐磨性和高溫蠕變強度 3。

然而，決定 P91 獨特蠕變性能的關鍵是微合金化元素：釩 (Vanadium, V: 0.18–0.25%)、鈮/鎢 (Niobium/Columbium, Cb/Nb: 0.06–0.10%) 以及氮 (Nitrogen, N: 0.030–0.070%) 3。這些微合金元素在隨後的回火過程中，會析出極細且均勻分佈的碳氮化物（主要是 MX 型，如 V(C,N) 和 Nb(C,N)）4。這些納米級的穩定析出物在晶界和位錯處起到釘扎作用，這是 P91 在長期高溫服役中抵抗蠕變變形的主要機制 3。

 

1.2 標準正火與回火 (N+T) 製程與目標微觀組織

P91 鋼材的標準 N+T 製程旨在建立穩定的回火馬氏體組織。標準的正火溫度範圍通常在 1040–1080 °C (1900–1975 °F) 1。此高溫奧氏體化步驟是至關重要的，它確保了所有粗大的碳化物被充分溶解，形成均勻的奧氏體結構 5。隨後，材料被空冷至約 200 °C 以下，使其完全轉變成高位錯密度的馬氏體 3。

緊接著是回火步驟，溫度範圍通常在 730–800 °C (1350–1470 °F) 1。例如，標準工法可能指定正火 @ 1050 °C，然後回火 @ 760 °C 3。回火的目的是達成兩大目標：首先是軟化剛形成的脆性馬氏體、降低內部殘餘應力，從而改善延展性和韌性 5；其次，也是最關鍵的一點，是在此溫度下促進上述超細 MX 型碳氮化物的均勻析出和分佈 4。這最終形成了高溫下具有極高穩定性的回火馬氏體基體 4。

必須強調，P91 鋼材的蠕變強度極度依賴於此初次 N+T 處理的成功。高溫正火是為了「重置」材料，使其能夠在回火過程中析出最優化的超細 MX 碳氮化物。如果後續的製程損壞了這一微觀結構，則必須通過 N+T 來全面恢復，才能確保組件的長期可靠性。此外，回火溫度控制極為嚴格；如果溫度過高，可能達到或超過下臨界溫度 Ac1（對於 P91 而言，有報告指出 Ac1可能低至 760 °C 5），導致部分再奧氏體化，進而在冷卻過程中形成未回火的新鮮馬氏體，這會使材料性能嚴重劣化 7。

 

二、 彎曲與成形工法對 P91 微觀組織的影響

 

在管線和組件製造過程中，熱彎塑變（Hot Bending）和冷作彎管（Cold Working）是常見的成形工法，但它們對 P91 鋼材的微觀結構造成的破壞機制截然不同，從而對後續 N+T 的需求也產生了根本性的差異。

 

2.1 熱彎塑變 (Hot Bending/Forming): N+T 的強制性要求

熱成形操作涉及將鋼材加熱至其上臨界溫度 AC3或轉變範圍之上，以提高塑性和避免冷作時的高殘餘應力和開裂風險 9。

2.1.1 微觀結構破壞與恢復需求

熱彎操作的本質是熱破壞。當 P91 鋼材被加熱至 AC3 以上時，原先經過精心控制和析出、負責抵抗蠕變的超細 MX 型碳化物會被溶解回到奧氏體基體中 5。這一步驟徹底消除了材料賴以維持長期蠕變性能的微觀結構基礎。如果熱成形後未進行適當的熱處理，材料的蠕變壽命將大幅下降，這是因為在後續服役溫度下，粗大的碳化物會重新析出，但其穩定性和釘扎效果遠不如原始 N+T 處理產生的細小析出物 12。

因此，任何涉及將 P91 鋼加熱至其臨界溫度以上的操作，例如熱彎或翻邊，都必須隨後進行完整的 N+T 熱處理 9。正火（Re-Normalizing）步驟能夠確保所有的碳化物重新溶解，形成均勻的奧氏體結構，並在空冷過程中形成新的馬氏體；隨後的再回火（Re-Tempering）則重新精確地析出 MX 碳化物，從而將材料恢復到其原始的蠕變性能狀態 5。

2.1.2 規範要求

工程規範如 ASME B31.3 對高合金材料（P-No. 5B，P91屬於此類）明確要求，在熱彎和熱成形後必須進行熱處理 10。此規定反映了熱處理在修復熱破壞微觀結構上的強制必要性。

 

2.2 冷作彎管 (Cold Working/Bending): N+T 的應變極限要求

P91 鋼材由於其高強度和馬氏體結構，相對於低合金鋼 (如 P22) 具有有限的冷成形能力 11。冷作會導致塑性變形，並在晶格中引入大量的位錯和高內應力，即所謂的加工硬化 5。

2.2.1 冷作損傷機制與蠕變加速

雖然冷作不像熱成形那樣直接溶解碳化物，但它通過引入高密度的位錯網絡來破壞結構的穩定性 5。這些高能量的位錯網路在 P91 的高溫服役環境（570–600 °C）下，會充當加速擴散的路徑，從而加快蠕變強化析出物（ M23C6 和 MX）的粗化速度 13。析出物一旦粗化，其釘扎效應就會減弱，從而導致長期的蠕變性能快速衰退 5。

因此，對 P91 而言，冷作損傷主要體現在長期的蠕變壽命潛在損失，而不僅僅是短期的延展性降低。為了保證組件在數萬小時後的可靠性，必須消除這種由機械應變引起的結構不穩定性。

2.2.2 規範極限值與 N+T 的恢復機制

施工規範對冷作彎曲後是否需要熱處理設定了嚴格的應變極限值。ASME B31.3 要求，對於需要衝擊測試的材料（P91 屬於此類），如果最大計算纖維伸長率超過 5%，則必須進行熱處理 10。行業經驗也表明，超過約 15% 的大應變通常需要熱處理才能恢復性能 5。

與其說 N+T 是為了應力消除，不如說是為了消除加工硬化引入的內在能量。單純的回火（應力消除）可以減輕殘餘應力，但無法有效消除高密度的位錯網絡。完整的 N+T 循環，通過將材料加熱至 AC3以上，能夠啟動完全的再結晶過程，從而徹底消除由冷作引起的高位錯密度和殘餘應力，重新建立一個無應變的晶粒結構 5。這種全面的微結構「重置」是確保冷作管線長期蠕變性能的唯一工法。

 

三、 高溫銲接後熱處理的複雜性分析

 

高溫銲接是 P91 鋼材製造中最複雜的工序之一，因為其產生的局部、非均勻熱循環會對材料性能造成最嚴重的梯度性破壞。

 

3.1 銲接熱影響區 (HAZ) 的微觀組織不均勻性

P91 銲接的挑戰在於其熱影響區（HAZ）會形成極度不均勻的微觀結構 14。

  1. 硬度峰值區 (Untempered Martensite): 緊鄰熔合區的區域達到極高的溫度（超過 AC3並快速冷卻，形成了高硬度、高脆性、未回火的馬氏體 4。此硬度峰值易導致冷裂和短期脆性 8。
  2. 蠕變軟區 (Type IV Susceptibility): 在熱影響區的次臨界區域（ICHAZ，溫度剛超過 Ac1或略低）和細晶粒區（FGHAZ），原始的馬氏體結構遭到破壞，導致碳化物粗化或晶粒細化。這些區域的強度和蠕變性能顯著下降，形成了整個銲件中最薄弱的環節 15。在長期高溫服役中，應力集中會導致裂紋在這些軟區萌生，即為臭名昭著的 Type IV 蠕變裂紋 16。

 

3.2 傳統銲後熱處理 (PWHT) 的侷限性

為了應對銲接帶來的缺陷，工程規範（例如 ASME B31.1 和 B31.3）強制要求對 P91 銲件進行銲後熱處理（PWHT）5。PWHT 是一種亞臨界回火處理，通常在 704–760 °C (1300–1470 °F) 的範圍內進行 5。

PWHT 的主要目的是軟化未回火馬氏體、降低殘餘應力、並避免氫致開裂風險 17。雖然 PWHT 成功地均勻化了馬氏體特徵 7，並確保了銲件滿足室溫下的最低拉伸強度要求（例如，最低屈服強度 413 MPa，極限抗拉強度 586 MPa）17，但它無法消除微觀結構上的根本不均勻性 18。

事實上，PWHT 的溫度（即便是最低要求）仍可能加速 ICHAZ 軟區的碳化物進一步粗化，從而在長期服役中加劇 Type IV 蠕變裂紋的風險 15。因此，傳統的 PWHT 僅能滿足最低的短期要求，但無法完全發揮 P91 的潛在長期蠕變性能。

 

3.3 銲後正火與回火 (PWNT): N+T 在銲接修復中的卓越應用

為了克服傳統 PWHT 在長期蠕變性能上的限制，研究人員提出了銲後正火與回火（Post-Weld Normalizing and Tempering, PWNT）工法，這本質上就是將 N+T 應用於銲件 19。

3.3.1 PWNT 提升蠕變壽命的機制

PWNT 通過在 1040 °C 左右重新奧氏體化整個銲縫區域 17，然後進行空冷和回火，實現了以下優勢：

  • 全面均勻化： 重新奧氏體化溶解了銲接產生的所有異質結構，包括硬區和軟區。隨後的冷卻和回火生成了均勻的回火馬氏體，消除了硬度梯度，從而顯著降低了應力集中和 Type IV 裂紋的發生率 17。
  • 優化析出： 類似於基材的初始 N+T，PWNT 允許重新形成最優化的超細 MX 碳化物分佈，有效地恢復了 ICHAZ 區域的晶界強化 20。
  • 性能提升： 研究結果明確指出，相較於傳統 PWHT，採用 PWNT 處理的 P91 銲件能夠獲得更優異的機械性能 17，並且蠕變斷裂壽命可以提高約 600% 17。這種顯著的性能提升證明了 PWNT 是實現 P91 合金全部蠕變潛力的唯一有效工法。

儘管 PWNT 流程更耗時且耗能，通常被視為「非生產性」步驟 17，但對於對服役壽命要求極高、或用於修復嚴重受損（例如因製造錯誤導致溫度超過 800 °C 限制 21）的關鍵組件而言，PWNT 是唯一能提供最高性能保證的修復性熱處理。

 

四、 正火+回火 (N+T) 工法在三種應用中的綜合比較

 

正火與回火工法在 P91 鋼材的製造和修復中，雖然其應用對象不同（熱彎、冷作、銲接），但其核心作用始終是作為一種冶金上的「重置按鈕」，用以全面恢復材料的微觀結構穩定性，確保長期蠕變性能。

 

4.1 熱處理工法選擇準則與微觀結構損傷類型

三種製造工法對 P91 鋼材造成的微觀結構損傷類型和嚴重程度各不相同，這決定了 N+T 的必要性等級：

製造工法 主要微觀缺陷 N+T 的必要性 ASME B31.3 參考準則
熱彎/熱成形 奧氏體化導致的蠕變強化析出物溶解破壞 強制要求 (Mandatory) 任何高於 Ac3的操作必須進行適當的熱處理 9
冷作彎管 機械應變，高位錯密度，加速蠕變潛在風險 應變極限要求 (Conditional) 對要求衝擊韌性的材料，纖維伸長率超過 5% 時需要 N+T 5
高溫銲接 HAZ 極端不均勻性 (硬度梯度), Type IV 弱化 性能優化 (PWNT) 傳統上僅需 PWHT (回火)，但 PWNT 具備更優異的長期蠕變性能 17

 

對於熱彎成形，N+T 的必要性是直接的、強制性的，因為熱輸入直接破壞了強化機制。對於冷作彎管，N+T 的必要性取決於機械應變的程度，其作用是通過再結晶消除內部應變能量。而對於高溫銲接，傳統 PWHT 僅是滿足規範最低要求的軟化處理，而 PWNT 則是消除結構缺陷、追求最大蠕變壽命的優化處理。

 

4.2 正火+回火 (N+T) 恢復效能的比較

N+T 在不同應用中的恢復機制和目標也存在差異：

恢復指標 熱彎後 N+T 冷作後 N+T 銲接後 N+T (PWNT)
恢復機制 重新奧氏體化，重組晶粒，析出優化 消除位錯，應變消除，再奧氏體化 溶解 HAZ 梯度，均勻化所有區域，優化析出
恢復目標 恢復基材蠕變強度 (Restore Base Metal Creep Strength) 恢復延展性、衝擊韌性，預防潛變加速 (Restore Ductility/Toughness) 提升銲縫整體蠕變壽命，消除 Type IV 風險 (Enhance Weldment Creep Life)
效能等級 完全恢復 (Full Restoration) 完全恢復 (Full Restoration) 遠超 PWHT (600% Creep Life Increase) 17

N+T 在這三種情境下的共通價值在於其具備的全面結構重組能力。無論是熱損傷還是機械損傷，只要達到需要恢復的程度，僅僅進行亞臨界回火（Tempering）是不足以重建 P91 所需的穩定回火馬氏體基體的。只有通過完整的正火步驟（高溫奧氏體化和隨後的冷卻），才能確保所有缺陷被完全清除，並在回火階段重新建立起均勻、細緻、穩定的 MX 碳化物析出結構。

 

五、 工程實踐、品質保證與最佳化建議

 

P91 鋼材的成功應用取決於對熱處理參數的精確控制和嚴格的品質檢測。

 

5.1 N+T 參數的控制與優化

對 N+T 流程的控制必須貫穿始終：

  1. 正火溫度與保溫時間： 標準正火溫度應嚴格控制在 1040–1080 °C 範圍內 1。保溫時間（Soaking time）必須足夠長（例如，厚截面組件通常需要約 60 分鐘 22），以確保所有粗大碳化物完全溶解，達到完全奧氏體化。保溫不足會導致溶解不完全，進而影響最終的回火強化效果。
  2. 回火溫度： 回火溫度通常在 730–800 °C 之間進行 1。此溫度窗口極為狹窄，必須避開下臨界溫度 Ac1，以防止再奧氏體化和新鮮馬氏體的形成 7。ASME B31.3 要求 PWHT/回火最低溫度為 704 °C 5。過高的回火溫度不僅可能形成新鮮馬氏體，還會導致現有 MX 碳化物的過度粗化，這同樣會降低蠕變強度。
  3. 冷卻速率： 正火後的空冷旨在形成馬氏體 3。對於厚截面組件，必須確保冷卻均勻性，以避免在管件中心部位因冷卻速率不足而形成不良的貝氏體或肥粒鐵組織，進而損害整體蠕變性能。

 

5.2 品質保證與檢測要求

為了驗證 N+T 或 PWNT 的成功，必須進行系統性的品質保證（QA）檢測：

  • 硬度分佈分析 (Hardness Mapping): 這是驗證微觀結構均勻性的關鍵工具。成功的 N+T 或 PWNT 應呈現出相對均勻的硬度分佈，特別是在銲件中，應當消除銲接熱循環所產生的硬度峰值和軟谷（如 ICHAZ 軟區）7。
  • 微觀結構檢測： 必須通過金相分析（如掃描電鏡或透射電鏡）來確認是否存在理想的回火馬氏體板條結構，以及是否存在對蠕變性能有害的組織，例如 δ-鐵素體團塊（應對 PWNT 進行優化以消除 δ-鐵素體 19）或未回火的新鮮馬氏體 4。
  • 衝擊韌性驗證： 對於經歷過冷作且需要 N+T 的組件，應進行衝擊韌性測試，以確保材料的韌性已恢復到要求水平，特別是對於那些纖維伸長率超過 5% 的組件 10。

 

5.3 N+T 在工程修復中的應用定位

基於 P91 對微觀結構破壞的極低容忍度，N+T/PWNT 應被視為對嚴重受損 P91 組件的終極修復手段：

  1. 恢復熱破壞： 當 P91 組件在製造或修復中，因局部加熱而超過 Ac1 溫度時，必須執行 N+T 以恢復性能 5。
  2. 修復 Type IV 損傷： 對於在長期服役中出現 Type IV 蠕變損傷的銲件，重新正火與回火（R_N+T）已被證實能夠有效地恢復 ICHAZ 區域的晶界強度，從而避免裂紋的進一步擴展 20。

 

六、 結論與建議

 

ASTM A335 P91 高性能耐熱鋼的長期蠕變可靠性，完全依賴於其受控的標準正火與回火（N+T）製程所建立的穩定回火馬氏體組織。任何後續的製造工法（熱彎塑變、冷作彎管、高溫銲接）都會以不同的機制損害或破壞這一核心微觀結構。

 

6.1 關鍵比較與結論

  1. 熱彎塑變 (Hot Bending): N+T 是強制性的。熱彎操作因超過上臨界溫度而溶解了所有的蠕變強化析出物。只有完整的 N+T 循環才能重新啟動析出機制，實現微觀結構的完全恢復 5。
  2. 冷作彎管 (Cold Working): N+T 是條件性的。當機械應變（纖維伸長率）超過規範極限（例如 5%）時，N+T 成為必需。N+T 的作用是通過再結晶和重新奧氏體化，徹底消除由高位錯密度帶來的內在能量和加速蠕變的潛在風險 5。
  3. 高溫銲接 (Welding): N+T（即 PWNT）是性能優化的。雖然傳統的 PWHT（僅回火）滿足了規範對最低強度和應力消除的要求 17，但它無法消除銲件微觀結構的極端不均勻性，從而埋下了 Type IV 蠕變裂紋的隱患 15。PWNT 作為一種全面的結構重組技術，能夠通過均勻化整個銲縫區域，將銲件的蠕變斷裂壽命顯著提升（最高可達 600%）17，是確保 P91 銲件長期服役可靠性的最佳選擇。

 

6.2 建議

對於 P91 鋼材的製造和應用：

  1. 應嚴格遵守 ASME B31.3 對成形工法的熱處理要求。對於熱彎工法，必須執行 N+T。對於冷作工法，應監測纖維伸長率，一旦超過 5% 或 15% 的界限，則必須執行 N+T。
  2. 在關鍵或高應力 P91 銲件的製造中，建議採用銲後正火與回火 (PWNT) 作為標準的銲後處理，儘管成本較高，但其帶來的蠕變壽命和微觀結構均勻性的提升，將極大地延長組件的可靠性和服役壽命 17。
  3. 應實施嚴格的品質控制，特別是通過微硬度繪圖和金相分析，以驗證 N+T/PWNT 處理成功消除了微觀結構缺陷（例如硬度梯度和 Type IV 敏感軟區），從而確保組件的長期性能與基材性能一致 17。

 

參考文獻

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