（材料科学与工程专业论文）super304h钢tig焊接头性能研究.pdf

摘要 论文题目：s u p e r 3 0 4 h 钢t i g 焊接头性能研究 学科专业：材料科学与工程 研究生：李燕彬签名： 导师：牛锐锋( 副教授) 。 签名： 摘要 s u p e r 3 0 4 h 钢是一种新的、经济型的1 8 8 奥氏体不锈钢，该钢在国外已有1 0 余年的 使用历史，但国内将其应用于超( 超) 临界机组锅炉的过热器、再热器尚属起步。因此， 研究该钢的焊接性、焊接工艺、焊接材料匹配和接头性能，对我国超( 超) 临界锅炉的建 造及现有火电锅炉的维修和改造具有十分重要的意义。 本文经过理论分析，制定了s u p e r 3 0 4 h 钢的t i g 焊焊接规范，并分别采用 e r n i c r m o 3 、e r n i c r - 3 和y t 3 0 4 h 三种焊丝焊制了s u p e r 3 0 4 h 钢焊接接头。通过力学性 能试验、晶间腐蚀试验、应力腐蚀试验和显微组织观察，对三种接头的力学性能、耐蚀性 能和微观组织进行了对比分析。 试验研究表明，采用e r n i c r m o 3 、e r n i c r - 3 焊丝焊制的s u p e r 3 0 4 h 焊接接头常温 力学性能符合相关技术条件要求，且与匹配的进口焊丝y t 3 0 4 h 焊接接头性能相当。采 用e r n i c r m o 。3 焊丝焊制的接头抗晶间腐蚀性能和应力腐蚀性能优于匹配的进口焊丝 y t 3 0 4 h 焊接的接头，而用焊丝e r n i c r - 3 焊丝焊制的接头耐晶间腐蚀性能较差，其抗应 力腐蚀性能也低于y t 3 0 4 h 焊接的接头。三种焊缝组织均由奥氏体和一些弥散相组成。 经过对比分析，用镍基焊丝e r n i c r m o 3 替代进口焊接材料y t 3 0 4 h 是可行的，而 用焊丝e r n i c r - 3 焊制的接头耐腐蚀性能较y t 3 0 4 h 焊丝差。 关键词：s u p e r 3 0 4 h 钢，焊接接头，晶间腐蚀，应力腐蚀 t i t l e ：s t u d yo nt h ep r o p e r t i e so fs u p e r 3 0 4 h s t e e lw e l d e dj o i n t sb yt i g w e l d i n gp r o c e s s m a j o r ：m a t e r i a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g n a m e ：y a n b i nl l s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f r u i f e n gn i u a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s u p e r 3 0 4 hs t e e li sa k i n do fn e wa n de c o n o m i c1 8 - 8a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，w h i c hh a s b e e nu s e df o rm o r et h a nt e ny e a r si nf o r e i g nc o u n t r i e s b u ti no u rc o u n t r y , i ti s a ti t ss t a r t i n g p o i n tt ou s e i ti nu l t r a s u p e r c r i t i c a lp r e s s u r eu n i tb o i l e rf o rs u p e r h e a t e ra n dr e h e a t e r s oi ti sv e r y i m p o r t a n tt os t u d yt h ew e l d a b i l i t y , w e l d i n gt e c h n o l o g y , c o m p a t i b i l i t yo fp a r e n t m e t a lw i t h w e l d i n ga n dj o i n tp r o p e r t i e sf o rt h ec o n s t r u c t i o no fu l t r as u p e r c r i t i c a lb o i l e r , a n di t i sa l s o i m p o r t a n tf o rt h em a i n t e n a n c e a n dt r a n s f o r m a n t i o no fp r e s e n tt h e r m a lp o w e ru n i t i nt h i sp a p e r , t i gw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rs u p e r 3 0 4 hw e r ed e t e r m i n e da c c o r d i n g t ot h e o r ya n a l y s i s ，a n dp r e p a r e dt h ew e l d e dj o i n to fs u p e r 3 0 4 hb ye r n i c r m o - 3 ，e r n i c r - 3 a n dy 1 r 3 0 4 hw e l d i n gw i r e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，m i c r o s t r u c t u r eo f t h r e ew e l d e dj o i n tw e r er e s p e c t i v e l yc o m p a r e da n a l y s i sa c c o r d i n gt om e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t ， i n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o n t e s t ，s t r e s sc o r r o s i o nt e s ta n d m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n t h er e s u l t so ft h es t u d ys h o w e dt h a tt h ew e l d e dj o i n t sr o o m - t e m p e r a t u r em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fs u p e r 3 0 4 hm a d eb ye r n i c r m o 一3a n d e r n i c r - 3w e l d i n gw i r es a t i s f yc o h e r e n t t e c h n i cs t a n d a r d ，w h i c he q u a lt ot h ew e l d e dj o i n t sp r o p e r t i e sm a d eb yt h ei m p o r t e dw e l d i n g w i r ey t 3 0 4 h t h ea n t i i n t e r g r a n u l a r 。e r o s i o n a n da n t i - s t r e s se r o s i o np r o p e r t i e su s i n g e r n i c r m o 3i ss u p e r i o rt ot h a to fu s i n gy t 3 0 4 h ，a n dt h ea n t i i n t e r g r a n u l a re r o s i o na n d a n t i s t r e s se r o s i o np r o p e r t i e su s i n ge r n i c r - 3i s i n f e r i o rt ot h a to fu s i n gy t 3 0 4 h t h e m i c r o s t r u c t u r eo fw e l di sc o n s t i t u t e db ya u s t e n i t ea n ds o m ed i s p e r s o i dp h a s e a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o n ，i ti sf e a s i b l et ou s en i c k e l - b a s e dw e l d i n g w i r ee r n i c r m o - 3 t os u b s t i t u t et h ei m p o r t e dw e l d i n gw i r ey t 3 0 4 h ，a n dt h ea n t i e r o s i o np r o p e r t yo ft h ew e l d e d i o i n tm a d eb yw e l d i n gw i r ee r n i c r - 3i s i n f e r i o rt ot h ew e l d e dj o i n tm a d eb yw e l d i n gw i r e y t 3 0 4 h k e yw o r d s ：s u p e r 3 0 4 hs t e e l ，w e l d e dj o i n t ，i n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o n ，s t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n g i l 独创性声明 秉承祖营优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明；。本人所呈交韵学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作莉成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论妊者签轹剑一施年多月纾日 i 学位论文使用授权声明 本人二：! 囊主耋篁攫j 在导师的指导下剑绍完成毕业论文o l 本人已通过论文酶答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，、同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷舨和屯子版学位论文卜学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库迸行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公牙的学位论文或解密后的学位论文作为( 、斗在图书馆、 资料室等场所或在校园阕上供校内师生阅读、浏览。 本入学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签冬：逖- 导师签名：汕裤月哆日 1 绪论 1 绪论 1 1 我国电力行业发展现状 改革开放以来，随着国民经济的快速发展，我国电力工业也取得了高速增长，成为我 国国民经济发展的基础产业之一。截止2 0 0 5 年底，全国发电设备容量为5 1 7 1 8 万千瓦， 其中，火电3 9 1 3 7 5 6 万千瓦，水电1 1 7 3 8 7 9 万千瓦，核电6 8 4 6 0 万千瓦 1 1 0 可见我国主 要还是以煤电为主，但是煤电效率低、煤耗高、污染大等结构性问题仍然很突出，因此， 我国要依靠科技进步，创建节约型社会，以达到保护资源，高效利用，减少污染的目的。 优化发展煤电，除考虑电源的合理布局之外主要是提高燃煤发电机组的效率和减少污染物 的排放。高参数、大容量的发电机组是提高效率和减少排污的有效途径。目前采用超超临 界参数的机组配烟气净化装置己被公认是一种洁净煤发电技术，是优化煤电结构的主要方 向1 2 1 。 1 2 超超临界锅炉的意义及其发展 超超临界参数( 指蒸汽温度5 9 3 或蒸汽压力， 3 1 m p a ) 的火力发电是有效利用能 源的一项新技术，其工作的压力、温度均超过以往任何参数的机组，从而可大幅度提高机 组热效率，还可节约能源。火电机组的效率随着蒸汽参数的提高而提高。根据实际运行的 燃煤机组的经验，亚临界机组( 1 7 m p a ，5 3 8 。c 5 3 8 c ) 的净效率约为3 7 - - 3 8 ，超临界机 组( 2 4 m p a ，5 3 8 5 3 8 ) 的净效率约为4 0 - - 4 1 ，超超临界机组( 2 8 m p a ，6 0 0 。c 6 0 0 ) 的净效率约为4 4 4 5 。从供电煤耗看，亚临界机组约为3 3 0 - - - 3 4 0 9 k w h ，超临界机组 约为3 1 0 - 3 2 0 9 k w h ，超超临界机组约为2 9 0 3 0 0 9 k w h 。同时由于机组效率的提高，污 染物的排放也相应减少，经济和社会效益十分明显3 1 。在提高火电厂发电效率的几种方 法中，从技术难度和现实性看，超超临界技术是较易实现的 4 1 0 因此，我国已经把大幅 度提高发电效率、加速发展洁净煤技术的超超临界机组作为我国可持续发展、节约能源、 保护环境的重要措施。在国外，超超临界锅炉的相关研究开发也是一个重要的课题。 美国是发展超临界发电技术最早的国家。从2 0 世纪6 0 年代中期起，美国新建机组容 量中有一半以上是超临界机组，而且在2 0 世纪5 0 年代初就开始研究超超临界发电技术巧1 。 受限于当时金属材料的情况，在提高机组可用率的目标下，美国发展的超临界机组多采用 2 4 1 m p a ，主蒸汽温度5 3 8 ，一次再热蒸汽温多为5 3 8 ，二次再热蒸汽为5 5 2 5 6 6 ， 这种蒸汽参数保持了2 0 余年，直至更新的耐热钢研制出来，超临界、超超临界的运行参 数才有所提高哺1 。前苏联在发展超临界机组方面态度非常坚决，也是当时拥有超临界机 组最多的国家 7 1 01 9 4 9 年投运了第一台超超临界试验机组，但是同样也存在着材料的问 题。而且前苏联发展超临界技术主要依靠本国力量，不能吸收别国先进技术，因此总体技 术水平不高。在欧洲，德国是研究和制造超临界机组较早的国家之一1 ，丹麦在1 9 9 8 年 和2 0 0 1 年投运了两台参数分别为2 9 m p a 5 8 2 5 8 0 5 8 0 的4 0 0 m w 超临界机组嘣1 。日 西安理工大学硕士学位论文 本国内燃料资源匮乏，依赖进口，所以对发展超临界和超超临界机组十分重视。虽然日本 发展超临界机组起步较晚，但发展速度很快，经过3 0 多年的发展己处于世界领先水平。 日本发展超临界技术采用的是引进、仿制、创新的技术路线，从引进机组到自制机组只需 1 - - 2 年时间，从亚临界到超超临界，从3 0 0 m w 、6 0 0 m w 到1 0 0 0 m w ，每上一个等级只 需3 4 年时间。目前，日本蒸汽温度参数最高的是2 0 0 0 年在橘湾电厂投运的两台机组， 容量1 0 5 0 m w ，蒸汽参数2 5 8 m p a 6 0 5 6 1 3 ，而且目前不论机组功率大小，进汽温度 普遍达到6 0 0 水平。 进一步提高机组效率、降低煤耗、保护环境、减少c 0 2 的排放，提高锅炉蒸汽温度和 压力参数是最有效的方法之一，特别是温度对效率的影响更为显著。提高蒸汽温度需要使 用耐高温性能更好的耐热钢，增大蒸汽压力也要求使用高温强度更高的钢材，可见高性能 耐热钢是发展超临界、超超临界机组的关键技术之一。 1 3 超超i 临界锅炉用钢 1 3 1 超超i 艋界锅炉对材料的要求 火电机组参数的提高与发展，主要取决于火电机组锅炉蒸汽参数的提高和锅炉用材料 技术的发展。锅炉是火电机组三大主机之一，锅炉中的过热器与再热器部件是工作环境最 为恶劣的受热部件，面临高温高压水蒸汽氧化、高温烟气中煤粉颗粒的腐蚀，所以也是对 材料要求最高的部件。 材料高温性能的主要衡量指标有：高温蠕变强度、热疲劳、耐腐蚀、以及抗氧化能力。 在选用材料上，既要考虑材料的高温性能，又要考虑材料的工艺性能和综合经济性能。过 热器与再热器所用的管子材料，其蠕变强度必须足够高，在其运行的压力与温度范围内， 有充足的安全裕度，同时还要考虑管子对蒸汽侧和烟气侧的抗氧化与抗腐蚀的要求。 1 3 2 新型铁素体锅炉用钢 铁素体钢一般可以用于6 0 0 以下锅炉热交换管，但在6 2 0 以上时，铁素体钢抗高 温烟气腐蚀和高温氧化的能力有限，一般选用奥氏体不锈钢管钢。新型铁素体锅炉用耐热 钢主要分为2 c r 、9 c r 、1 2 c r 三大系列。 2 c r 系列包括2 2 5 c r - l m o ( t 2 2 p 2 2 ) 钢和2 2 5 c r - 1 6 w - v - n b ( h c m 2 s 或t 2 3 ) 钢。 其中，t 2 2 p 2 2 钢在上世纪7 0 年代已得到了广泛的应用。t 2 3 钢是在t 2 2 p 2 2 基础上，以 w 、v 、n b 取代m o ，并降低c 含量而得到的新型钢种，已经列入a s m e 规范c a s e 2 1 9 9 。 t 2 3 比t 2 2 具有更高的蠕变抗力和性价比，具有优良的焊接性能而无须焊前或焊后热处 理，应作为水冷壁、低温过热器等部件的首选材料。 9 c r 系列包括t 9 1 p 9 1 ( 9 c r l m o v n b ) 钢、9 c r - 2 w ( n f 6 1 6 或t 9 2 p 9 2 ) 钢和e 9 1 1 钢。其中，t 9 1 p 9 1 钢具有高的强度和韧性、抗热疲劳性能，作为6 2 0 以下的过热器、 再热器、联箱和主蒸汽管道用钢在世界范围内已经得到广泛的应用。t 9 2 p 9 2 钢是在 2 1 绪论 t 9 1 p 9 1 基础上，以w 取代了部分m o 而得到的新钢种，已经列入a s m e 规范c a s e 2 1 7 9 。 比t 9 1 p 9 1 具有更高的许用应力。可用于6 2 0 以下的过热器、再热器、联箱和主蒸汽管 道。而e 9 1 1 钢是一种欧洲牌号，其成分和性能与n f 6 1 6 ( 或t 9 2 ) 相近。 1 2 c r 系列主要有：x 2 0 c r m o w v l 2 1 ( h t 9 1 ) 钢，在欧洲曾得到大量的应用，但是 其焊接性能较差；h c m l 2 ( 1 2 c r l m 0 1 w 妯) 钢，在h t 9 的基础上通过降碳以提高焊接 性能，以及w 、v 、n b 合金化而形成的，是一种d 铁素体马氏体双相钢。具有良好的焊 接性能、高温强度和抗氧化腐蚀性能，适用于6 0 0 以下锅炉部件；1 2 c r - 2 w ( h c m l 2 a 或t 1 2 2 p 1 2 2 ) 钢，在h c m l 2 基础上用w 取代更多的m o ，并添加1 的c u 而得到的一 种新型钢种，已经列入a s m e 规范c a s e 2 1 8 0 。其蠕变强度进一步提高，在6 0 0 时许用 应力比t 9 1 提高约2 5 ，并因为消除了d 铁素体而使韧性得到提高。该钢种特别适用于 6 2 0 以下的厚壁部件；t b l 2 ( 1 2 c r 0 5 m 0 1 8 w 妯) 钢，在t 9 基础上，通过增加c r 含 量以进一步提高抗高温蒸汽氧化，调整固溶强化元素m o 、w 等元素含量以改善提高综合 性能而得到新型钢种；n f l 2 钢和s a v e l 2 钢，正在开发中的耐热钢，通过t a 、n b 等合 金化，使6 0 0 的强度提高到了6 5 0 ，并已经在实验室得到验证。 1 3 3 新型奥氏体锅炉用钢 奥氏体不锈钢管主要应用在过热器再热器管的出口段。在这一管段，除了蠕变强度 外，抗蒸汽氧化和烟气腐蚀成为重要考虑的因素四1 。具有更好的高温性能、适应性好、 经济性高的新型奥氏体材料的应用，满足了更高温度下的超临界( 超) 超临界锅炉过热 器、再热器部件的需要。奥氏体耐热钢的高持久强度和优良的耐蚀性，是其它耐热钢无法 比拟的 1 0 1 高蒸汽参数锅炉的过热器、再热器、厚壁集箱和主蒸汽管道的高温段运行条 件恶劣，因此需要更高持久强度和抗热腐蚀性的锅炉用耐热钢。奥氏体钢以其优异的综合 性能使它成为发展超超临界机组的重要耐热材料n u 。新型奥氏体锅炉用不锈钢主要分为 1 8 c r 、2 0 - 2 5 c r 两大系列。 a18 c r 系列 ( 1 ) t p 3 0 4 h 、t p 3 2 1 h 、t p 3 1 6 h 钢：一般高温蒸汽下被广泛的使用，尤其是t p 3 0 4 h 使用最为普遍，但其容易敏化。 ( 2 ) t p 3 4 7 h 钢：具有较高的蠕变强度、抗蒸汽氧化、耐烟气腐蚀性能。这种材料 具有较好的可加工性和可焊接性。但是，这种材料的热塑性远低于3 0 0 系列的不锈钢，目 前在亚临界一超临界发电机组已经广泛被使用。 ( 3 ) t p 3 4 7 h f g ( 1 8 c r - 1 0 n i n b ) 钢：在t p 3 4 7 h 的基础上，通过热处理使晶粒细化 到8 级以上，大大提高了抗氧化能力，对提高过热器管的稳定性起到了重要的作用，在许 多超临界超超临界机组上得到了应用。已经列入a s m e 规范c a s e 2 1 5 9 。 ( 4 ) 1 8 c r - 9 n i 3 c u n b n ( s u p e r 3 0 4 h ) 钢：在t p 3 0 4 h 基础上，通过c u 、n b 、n 合金 化而得到的一种新型经济型奥氏体不锈钢，已经列入a s m e 规范c a s e 2 3 2 8 。其高温下 3 西安理工大学硕士学位论文 的蠕变断裂强度高于t p 3 4 7 h 约2 0 。该钢由于晶粒细化而抗氧化性能优异，组织稳定性 好，焊接性优于t p 3 4 7 h ，并且经济性高。可用于7 0 0 - 7 5 0 以下过热器、再热器部件， 是超临界超超临界机组锅炉的主要候选材料。 b2 0 ，i 2 5 c r 系列 2 0 一- - 2 5 c r 系列钢和高c r 高n i 钢，蠕变强度高，抗氧化性能好，但是价格过高限 制了其使用。新近开发的2 0 - - 一2 5 c r 系列钢，通过奥氏体稳定元素n 、c u 等取代n i 来降低成本，使其不但具有优异的抗氧化性能和耐烟气腐蚀性能，并且还具有相对低廉的 成本。 ( 1 ) 2 5 c 卜2 0 n i n b n ( h r 3 c 或t p 3 1 0 n b n ) 钢：改进的由n b 和n 强化的t p 3 1 0 钢，具有较高的高温强度和耐腐蚀性能，较好的加工性和焊接性，特别是具有极其优异的 抗蒸汽氧化性。已经列入a s m e 规范c a s e 2 1 1 5 。可作为超临界超超临界机组的主要候 选材料。 ( 2 ) n f 7 0 9 ( 2 0 c r 2 5 n i m o n b t i ) 钢以及t e m p a l o y a 3 ( 2 2 c r l 5 n i n b n ) 钢：最新开 发的2 0 - - 一2 5 c r 系列钢，通过奥氏体稳定元素n 、c u 等取代n i 来降低成本，具有优 异的高温性能和相对低廉的成本。 ( 3 ) s 越厂e 2 5 ( 2 2 5 c r l 8 5 n i w c u n b n ) 钢：正在开发中的新型钢种。 1 4 新型奥氏体不锈钢s u p e r 3 0 4 h 1 4 1s u p e r 3 0 4 h 钢简介 为了降低发电的费用，已开发出用于锅炉的具有高的高温强度的经济型材料。在过热 器和再热器的一些高温位置，过去使用的是如t p 3 2 1 h 、t p 3 4 7 h 这样的1 8 - 8 型不锈钢管， 现在开发出了一种全新的经济型的1 8 8 型奥氏体不锈钢管s u p e r 3 0 4 h 。该材料是在 a s m e s a _ 一2 1 3 t p 3 0 4 h 的基础上通过降低m n 含量上限，加入约3 的c u 、约o 4 5 的n b 和 一定量的n ，使该钢在服役时产生微细弥散、沉淀于奥氏体内的富铜相，并与其互相密合； 该富铜相与n b c 、n b n 、n b c r n 和m 2 3 c 6 一起产生极佳的强化作用，从而得到很高的许用 应力。该钢优越的高温蠕变强度不是靠贵重的合金元素的强化获得，而是通过廉价的c u 、 n b 、n ，由富c u 的e 相和n b c r n 、m 2 3 c 6 质点的弥散强化获得。由于低的含c r 量，传统的 含c u 不锈钢1 7 1 4 c u m o 与1 8 8 型不锈钢相比抗腐蚀性能差，而s u p e r 3 0 4 h 钢具有良好的抗 高温腐蚀性能和抗蒸汽腐蚀性能，还具有良好的焊接性能t 1 2 1 。其化学组成成分见表1 1 。 表1 - 1s u p e r 3 0 4 h 的化学成分1 3 1 ( 州) t a b 1 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs u p e r 3 0 4 h ( w t ) 4 1 绪论 这种材料已经通过日本m i t i 标准认证，抗蠕变断裂强度、蠕变断裂延展性、韧性及 抗腐蚀性能取决于c u 和n b 的含量，考虑到在运行温度下长期时效延展性的损失，对高温 强度有积极作用的n 的上限被限制在0 1 2 。 s u p e r 3 0 4 h 钵 的特征是在1 8 8 型不锈钢中有着基于优秀的抗蠕变断裂强度、抗腐蚀性 能和优良焊接性的高的许用应力。因此，在锅炉建设中在过热器、再热器高温部位使用这 种经济的钢管能带来巨大的好处。 1 4 2s u p e r 3 0 4 h 钢的一些基本性能 表1 2 给出 s u p e r 3 0 4 h l 拘许用应力。表1 3 给出 s u p e r 3 0 4 h 钢管的抗拉强度、硬度、 夏比冲击韧性值。图1 - 1 给出了s u p e r 3 0 4 h 钢的高温抗拉性能。由于n 的固溶强化作用，抗 拉强度和屈服强度比传统的1 8 8 型不锈钢高，延展性也几乎与t p 3 4 7 h 相同。 表1 2s u p e r 3 0 4 h 钢管的许用应力1 4 t a b 1 - 2a l l o w a b l es t r e s so fs u p e r 3 0 4 hs t e e lt u b e 盂 = 寇 疆 蓬 掣 别 图1 - 1s u p e r 3 0 4 h 钢的高温抗拉性能 f i g 1 - 1h i g ht e m p e r a t u r et e n s i l ep r o p e r t i e so fs u p e r 3 0 4 hs t e e l s u p e r 3 0 4 h 取样管的蠕变断裂性能见图1 2 。服役1 0 年后，管的蠕变断裂强度还在原始 材料的强度范围内。图1 2 表明：在高温和较长的断裂时间下，断裂应力具有良好的线性。 1 0 5 h 的平均断裂强度用l a r s o n m i l l e r 参数法估算得到。试验表明：s u p e r 3 0 4 h 的1 0 5 h 外推蠕 变断裂强度值比t p 3 4 7 h 高2 0 ，这是由于连续地沉淀于奥氏体基体上的非常细的富c u 相 的沉淀强化作用。m 2 3 c 6 及n b ( c ，n ) 和n b c r n 的沉淀强化作用也有助于提高蠕变断裂 强度。 5 西安理工大学硕士学位论文 芒 芝 r 毯 昌 - t 憾 趾 露 1 斗 l 搴 婶 糕 最 51 1 1 1 1 1 2 ，1 1 1 3 1 0 1 6 5 oi2 34567l91 0 断裂时间h 服役时间年 图1 - 2 长期服役后的蠕变断裂性能图1 3 蒸汽氧化层的比较 f i g 1 - 2c r e e pr u p t u r ep r o p e r t i e so fl o n g t e r mw o r kf i g 1 - 3c o m p a r i s o no fs t e a mo x i d a t i o nt h i c k n e s s 蒸汽氧化层厚度和服役时间的关系见图1 3 。从图中可以看到细晶粒s u p e r 3 0 4 h 的抗蒸 汽氧化性能和细晶粒t p 3 4 7 h 基本相同。 s a w a r a g i 等日本学者在合成的煤灰下对s u p e r 3 0 4 h 钢进行了6 5 0 高温腐蚀实验。结果 表明，该钢的抗热腐蚀性能比t p 3 2 1 h 好，比细晶t p 3 4 7 h 差一些n 5 1 。 1 4 3s u p e r 3 0 4 h 钢的焊接性及焊接接头性能 通过适于检测热裂纹敏感性的可变约束抗热裂试验和约束裂纹试验来评价 s u p e r 3 0 4 h 的可焊性。试验结果说明：s u p e r 3 0 4 h 的热裂纹敏感性、裂纹长度和裂纹率低 于t p 3 4 7 h 。 室温和高温下，s u p e r 3 0 4 h 的接头强度与母材相同。焊接用的填充金属成分应与 s u p e r 3 0 4 h 相匹配，相应焊材的化学成分列在表1 4 中。对于焊接件的性能进行了试验，并 观察了显微组织。焊接接头的抗拉性能见表1 5 ；蠕变断裂试验结果见图1 4 。焊接接头的 6 表1 4 焊接材料的化学成分 t a b 1 4c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fw e l d i n gm a t e r i a l 柏o l l l i 1 绪论 断裂强度都在母材的强度范围内与母材平均值相同，并且断裂强度没有降低。 表1 5 焊接接头的抗拉性能 t a b 1 5t e n s i l ep r o p e r t i e so fw e l d i n gj o i n t 罡 芝 长 键 p v 蜊 赠 l o i 酽 1 0 31 6 41 0 5 断裂时间h 图1 _ 4 焊接点的蠕变断裂性能 f i g 1 - 4c r e e pr u p t u r ep r o p e r t yf o rw e l d m e n t 1 5 3 0 m i n ， 5 0 。c h 、7 时同( h ) 图1 5 焊后热处理条件 ， f i g 1 5p r o c e d u r eo fp o s t w e l dh e a tt r e a t m e n t 原则上，s u p e r 3 0 4 h 焊后不需要进行焊后热处理，但如果在有氯离子的环境中施工， 而且在接头进仓储存前又没有有效地防止氯离子对热影响区污染的得力措施的情况下，需 要进行焊后热处理，以防止应力腐蚀。焊后热处理应采用固溶处理，如图1 5 所示。 s u p e r 3 0 4 h 钢分别和s a 2 1 3 t p 3 4 7 h 钢、s a 2 1 3 t 9 1 钢异种钢的焊接，t i g 焊采用加拿 大热丝焊机，手工钨极氩弧焊采用z x g 7 3 0 0 1 氩弧焊焊机，电源极性均为直流正接，为 7 西安理工大学硕士学位论文 防止氧化，焊接过程中背面通9 9 9 9 氩气保护。焊丝分别选用为e r n i c r 3 和不锈钢焊丝 t 3 0 4 h 。其焊接参数分别如表1 6 和表1 7 所示。其中，t i g 焊的电极材料牌号是w t h l 5 ， 电极直径为3 0 m m ，气体流量是1 8 l m i n ，喷嘴直径为1 0 m m 。焊后采用高温回火处理，处 理方法为随炉升温，7 5 5 条件下保温5 0 m i n ，然后出炉空冷。 表1 - 6 自动焊焊接规范参数 t a b 1 - 6w e l d i n gp a r a m e t e r so f a u t o m a t i cw e l d i n g 材料 焊丝牌号脞m 黼m 岩鬈萼溢差篙善嘴m 懿r n 尝紫 表1 8 横向力学性能及金相组织 t a b 1 8m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e 焊接接头拉伸试验结果如表1 8 所示。数据结果表面，焊缝金相组织为奥氏体及少量 碳化物，接头的抗拉强度满足母材的技术条件要求，与母材的实测值较为接近，断口位置 在热影响区( s u p e r 3 0 4 h + s a 2 1 3 t 9 1 断口位置在焊缝) 。而且焊缝区未发现任何缺陷，接 头质量良好。 、 按照蒸汽锅炉安全技术监察规程制备面、背弯曲试样各2 个，弯轴直径d = 3 t ， 按g b t 2 3 2 1 9 9 9 金属弯曲试验方法规定进行，面、背弯曲角度9 0 。 ( s u p e r 3 0 4 h + s a 2 1 3 t 9 1 弯曲角度5 0 。) ，试验结果良好，未发现任何裂纹，表明焊缝有 足够的塑性和韧性3 踟。 8 1 绪论 1 4 4s u p e r 3 0 4 h 钢焊后可能出现的问题 ( 1 ) 晶f h j 腐蚀。晶间腐蚀是奥氏体耐热钢一种极其危险的破坏形式。它的特点是沿 晶界开始腐蚀，表面上一般不容易发觉，但它使承压管道焊接接头的力学性能显著下降了， 因而易发生早期破坏。根据“碳化物析出造成晶间贫铬 理论，在4 5 0 8 5 0 范围内，c 和c r 易在奥氏体晶粒边界处形成碳化铬，使得品粒边界处局部贫铬。当晶界处的含c r 量降低到小于1 2 时，钢材会丧失耐腐蚀性能。 ( 2 ) 应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹( s c c ) 是应力和腐蚀介质联合作用引起的一种 低应力脆性裂纹。奥氏体不锈钢线膨胀系数大，导热性差，在结构复杂、刚度较大的情况 下，焊接变形受到约束，焊后构件特别是焊接接头会存在较大的焊接残余应力，如果有腐 蚀介质的存在，就满足了产生s c c 的充要条件，从而使奥氏体不锈钢产生s c c 的倾向较 大。奥氏体耐热钢的s c c 有晶间、晶内和晶间晶内混合等三种形式，但是以晶间s c c 最常见。 1 5 晶间腐蚀和应力腐蚀常用的检测方法 1 5 1 晶间腐蚀常用的检测方法 从原理上看，晶间腐蚀的各种试验方法都是通过选择适当的浸蚀剂和浸蚀条件对晶界 区进行加速选择性腐蚀，通常可以用热酸浸泡法和电化学方法来实现。 a 热酸浸泡法 热酸浸泡法是最早用于检测不锈钢或镍基合金晶间腐蚀敏感性的实验方法。主要方法 有：硫酸一硫酸铜一铜屑法、沸腾硝酸法、硝酸一氟化物法、硫酸一硫酸铁法等，已列入我国 标准g b 4 3 3 4 1 - 5 。上述标准对晶间腐蚀试验的具体方法作了详细地论述。 硫酸一硫酸铜一铜屑法( g b 4 3 3 4 5 - 2 0 0 0 ) 的是改进的s t r u a s s 法1 1 6 1 。该方法适于检验不 锈钢中贫铬区引起的晶间腐蚀。沸腾硝酸法由h u e y 于1 9 3 0 年首先提出，以后d e l o n g 和 s t r e i c h e r 等详细地研究了试验条件变化的影响t l t 这种方法对于检验在硝酸或其它强氧 化性酸溶液中使用的合金的晶间腐蚀倾向，是一种较好的试验方法。w a r r e n 对h n 0 3 + h f 试验方法作了全面介绍，并于1 9 5 8 年建议采用1 0 h n 0 3 + 3 h f 溶液作为评定含钼奥氏 体不锈钢晶间腐蚀敏感性的定量试验方法| 1 8 1 1 9 8 4 年，我国正式将h n 0 3 + h f 法定为国 家标准。酸性硫酸铁法是s t r e i c h e r 于1 9 5 8 年首先提出的1 1 9 1 试验溶液的f e 3 + 可以抑制不 锈钢在硫酸中的全面腐蚀速度，通过调整f e f f s 0 4 ) 3 和h 2 s 0 4 的配比，可以抑制酸对晶粒 表面的腐蚀，而仅仅浸蚀由于碳化铬沉淀形成的晶界贫铬区，敏化材料在此溶液中发生强 烈的晶粒表面腐蚀和晶粒脱落。 b 电化学方法 由于电化学方法所特有的优点：简单、快速、易适用于现场，因而在现代的材料腐蚀 监( 检) 测中扮演了举足轻重的作用。目前用于检测不锈钢晶问腐蚀倾向的电化学试验方 9 西安理工大学硕士学位论文 法主要有：草酸电解浸蚀法，阳极极化曲线二次活化峰法，扫描参比电极技术( s r e t ) 以 及电化学动电位再活化法( e l e c t r o c h e m i c a lp o t e n t i o d y n a m i cr e a c t i v a t i o n ，简称e p r 法) 等。 s t e r i c h e r 于1 9 5 3 年发展的草酸电解浸蚀方法1 2 0 1 , 已被用作检查由碳化铬沉淀引起的 晶间腐蚀敏感性的预备性筛选试验。1 9 8 0 年s m i a l o w s k a 2 提出以阳极极化曲线上第二 活化峰所对应的电流密度作为敏化程度的判据。然而，利用阳极极化曲线二次活化峰评定 不锈钢晶间腐蚀敏感性尚未在学术界取得共识。7 0 年代初，美国的i s a a c s 首先建立了扫 描参比电极技术( s r e t ) ，并应用s r e t 成功地研究了不锈钢的晶问腐蚀行为 2 2 1 0 这种技 术被用来确定晶问腐蚀发生的位置及敏感电位区间。还有的作者2 3 1 将s r e t 技术同e p r 方法进行了比较，得出了晶i 白j 腐蚀条件下腐蚀电流的电位分布关系。 电化学动电位再活化技术是一种电化学的加速腐蚀实验方法。e p r 法通过测量并分 析试样在特定电解液中的再活化极化曲线来评定材料的晶间腐蚀敏感性。c i h a l 首先用 e p r 测量了不锈钢晶间腐蚀敏感性 2 4 1 0 随后c i h a l c l a k r ，u m e m u r a m a j i d i 等人的大量工 作t 2 5 - 2 7 1 ，使e p r 技术得到迅速发展，被广泛地用于研究奥氏体、马氏体、铁素体、双相 钢等不锈钢的晶间腐蚀敏感性。陈慎豪1 2 8 1 方智2 9 1 等对活化剂的选择进行了研究， o g r e v e n 啪1 等在e p r 基础上发展了恒电位再活化法( e r t ) ，研究指出，e r t 检测由贫 铬引起的晶问腐蚀比e p r 更灵敏。 1 5 2 应力腐蚀破裂的研究方法 应力腐蚀破裂是材料、环境介质和应力交互作用的结果，因此研究应力腐蚀破裂的常 用方法有电化学方法、力学方法和物理方法三大类。 a 力学方法 近2 0 余年来，应力腐蚀力学方面的研究取得了显著进展。根据加载形式的不同，从 力学方面研究应力腐蚀方法可分为三类：恒应变加载、恒载荷加载以及慢应变速率实验 方法。 恒载荷法和恒位移法是研究应力腐蚀的传统力学方法。用以确定裂纹扩展速率以及 确定裂纹不扩展的临界力学参数，如应力腐蚀破裂门槛应力强度因子k 。s c c 和k 1 h ，而氢致 开裂和应力腐蚀门槛值的对比研究是区分应力腐蚀机理的重要方法之一。慢应变速率实 验机的出现在评价材料应力腐蚀破裂敏感性方面具有重要的意义。相比之下，慢应变速 率法具有较大的优越性3 1 3 勿。用慢应变速率方法评定材料应力腐蚀破裂敏感性的要点是 确定判据。最经常为人们接受的是金相和断口检查，由试样剖面金相检验和断口扫描电 镜分析检测应力腐蚀裂纹和断口中的应力腐蚀开裂区域，但上述检查只是定性判定。一 旦应力腐蚀得到证实，慢应变拉伸的许多参数( 如断裂时间t f 、最大载荷l m 缸( s t r r s ) 、 断面收缩率( r a ) 、平均裂纹扩展速度( c v ) 等) 都可以加以利用。 b 电化学方法 应力腐蚀裂纹尖端中溶液的p h 值的早期研究结果说明，裂纹尖端的酸化活化作用有 1 0 1 绪论 利于裂纹的扩展；微电极技术用于裂纹尖端电位的研究结果为高强度钢应力腐蚀破裂的氢 脆机理提供了实验证据；动电位扫描技术在确定应力腐蚀破裂的敏感电位区时起到了重要 作用；擦伤电极技术、交流阻抗技术及电化学噪声技术也为研究应力腐蚀提供了微裂纹形 核和扩展的电化学信息；此外，研究外加极化电位对裂纹扩展速率或试样断裂寿命的影响， 是判断应力腐蚀机理是阳极溶解型还是氢致开裂型的重要手段之一。 c 物理方法 研究应力腐蚀破裂最常用的大型仪器是扫描电子显微镜和透射电子显微镜，其次是 电子探针、离子探针、俄歇电子能谱等。 扫描电子显微镜( s e m ) ，它是借助于电子束在试样表面作扫描所获得的信息进行 微区观察、元素分析和结构分析等的一种电子显微镜b ”。在应力腐蚀研究方面，扫描电 子显微镜用于确定应力腐蚀的晶体学特征、裂纹扩展中的局部塑性变形过程、穿晶应力 腐蚀裂纹停止的痕迹和凸台的形成机理。透射电子显微镜( t e m ) ，就是人们通常说的 电子显微镜，是利用透过薄试样的电子进行成像观察、结构分析和成分分析的仪器珏引。 电子探针主要用于腐蚀产物或介质的成分分析。离子探针不仅可以用来分析腐蚀产物成 分，而且还可以测定试样中的氢含量。俄歇电子能谱仪在研究沿晶应力腐蚀开裂机理中 用于检测晶界偏析。 以上的晶间腐蚀和应力腐蚀检测方法各有优势，只有根据实际的试验条件和