5Cr21Mn9Ni4N耐热钢高温运行条件下组织性能的变化
1、引言
5Cr21Mn9Ni4N（21-4N）耐热钢常用作柴油机排气门盘部材料[1-3]，并进行规范的固溶和时效热处理[4]：1170-1180℃保温0.5-1h的固溶处理水冷＋760℃保温10-14h的时效处理。层状组织的形成将严重影响排气门的使用性能。因此21-4N钢层状组织级别被纳入常规检验[5]。然而在常温下无层状析出的组织在高温运行条件下基体也可能发生分解，形成层状组织，因此高温运行条件下的组织稳定性是决定排气门盘部是否发生失效的关键。通过SRD、SEM研究了不同原始组织状态的21-4N钢的高温运行后的组织变化及其对性能的影响。
2、试验方法
选择两种排气门（编号为1#2#），其运行温度为600-800℃，运行时间为2000h，其中2#排气门盘部发生了断裂失效。在盘部切取试样进行组织结构分析，其化学成分见表1。
表1 排气门盘部的化学成分（质量分数，％）
| 试样号 | C | N | Si | Cr | Mn | Ni | Fe |
| 1# | 0.49 | 0.40 | 0.20 | 20.82 | 9.18 | 3.61 | 65.29 |
| 2# | 0.47 | 0.42 | 0.24 | 22.99 | 10.01 | 3.98 | 61.90 |
用D/Max-3A型X射线衍射仪（XRD）测定排气门使用前后相组成的变化，用Philips XL-30型扫描电镜（SEM）观察其组织变化。
3、试验结果与讨论
3.1X射线衍射结果
1#、2#原始组织均是由奥氏体＋M23C6组成。高温运行后1#试样M23C6衍射峰强度略有增加，但相组成未有明显的变化。而2#试样除了M23C6衍射峰强度明显增加外，还出现了σ相衍射峰。结果表明，在运行过程中2#试样析出了大量的M23C6及少量的σ相。
3.2SEM观察结果
1#试样原始组织是由基体奥氏体和颗粒状M23C6碳化物组成，奥氏体晶粒很细（9-10级），较细的碳化物颗粒呈链状均匀分布在基本上。而2#试样奥氏体晶粒较粗大，且有较严重的混晶组织。碳化物颗粒较大，分布不均匀，一般情况下，基本晶粒较细区域聚集较多碳化物，反之较少。两试样均未观察到层状组织。
高温运行2000h后1#、2#试样的微观组织，可见，1#试样组织未发生明显变化。而2#试样使用后基体组织通过不继续脱溶沉淀发生了胞状分解[6]，形成由γ＋M23C6组成的层状组织。
比较1#及2#试样组织可知，2#试样原始奥氏体晶粒粗大，碳化物较少，这表明2#试样的固深温度过高，碳化物的溶解比较充分，而时效处理又未充分析出，使得基体的过饱和度增加，组织相对不稳定，在使用过程中固溶体发生分解的驱动力较大，因此基体析易发生分解，形成层状组织，而1#试样在固溶后的时效处理过程中析出了较充分的碳化物，因而高温运行条件下组织相对稳定。
3.3断裂失效原因
观察结果表明裂纹主要以沿晶断裂＋穿晶断裂方式扩展，在裂纹扩展区，观察到许多疲劳扩展形貌特征——疲劳辉纹。根据断口上沿晶断裂与穿晶断裂区域的面积比例以及疲劳辉纹间距可知，2#排气门盘部若何组织较脆，在经历了较短的疲劳扩展后裂纹发生了沿晶断裂。
气门在高温服役过程本身就是一个时效过程，因此气门在时效过程的组织稳定性是决定气门是否发生失效断裂的主要因素。如前所述不稳定的基体组织在时效或服役过程中会发生胞状分解，形成层状组织。晶界胞装碳化物（M23C6）的析出减低晶界强化效果，加速晶界断裂或晶间、穿晶混合断裂过程。晶内层状组织不仅割裂了基体，使基体的强度、承载能力大大降低，还极易使气门在应力集中部位萌生裂纹，甚至促进燃气沿晶腐蚀。此外，片状有害σ相的生成更加促进排气门的断裂失效。Cr23C6析出也大大降低了基体组织及晶界抗腐蚀能力。
比较1#及2#试样原始组织可知，未失效排气门的原始组织状态良好，奥氏体基体晶粒细，加之沿晶界均匀分布的链状M23C6碳化物有利于阻止晶间裂纹扩展。而失效断裂排气门基体奥氏体晶粒较粗大，晶界较平直，有利于晶界微裂纹的连接和扩展，而加速断裂过程。另外，其基体组织存在较严重的混晶现象，晶粒不均匀对断裂过程也有影响，一般来说，小晶粒区域的晶界面多、热强性较低、塑性较好，而大晶粒区域热强性较好、塑性较低。因而，在大小晶粒交界处容易出现应力集中，从而促使裂纹在较粗大的晶粒边界产生，并沿晶界迅速扩展。
4、结论
（1）5Cr21Mn9Ni4N耐热钢的组织稳定性与原始组织状态有关，不稳定的组织在高温运行过程中将发生分解，形成由γ＋M23C6组成层状组织，且析出少量的σ相。
（2）层状组织的形成是排气门盘部失效的主要原因，基体原始组织状态对排气门盘部断裂失效有一定的影响。
参考文献：
[1]毛志强，国外内燃机阀门材料概况及其发展趋势[J].机械工程材料，1980，4（6）：1-4.
[2]张厚君，曹月君.国产汽车发动机的气阀及阀座[J].汽车工艺与材料，1994，（2）：19-22.
[3]陶中佑，刘明德.内燃机气门材料国产化系列探讨[J].汽车工艺与材料，1993，（4）：28-30.
[4]姚贵升.汽车金属材料应用手册[M].北京：北京理工大学出版社，2000.483-496.
[5]JB/T6720-93，内燃机进排气门金相检验[S].
[6]陈景榕，李承基.金属与合金的固态相变[M].北京：冶金工业出版社，1997.48-57.
