（材料学专业论文）e911钢组织与性能的研究.pdf

哈尔滨一 程大学硕士学位论文 摘要 本文对德国v a l l o u r e e & m a n n e s m a m a 公司生产的e 9 1 1 钢进行了热处理 工艺的优选，得出最佳的热处理工艺为：1 0 4 0 。c 正火+ 7 9 0 。c 回火。在此基础 上，对经新的热处理工艺和老的热处理工艺处理的钢样进行了力学性能、系 列冲击、高温持久强度、抗氧化等性能对比试验，采用光学显微镜、透射电 镜、扫描电镜对显微组织及断口进行了观察。对实验数据进行了深入分析， 试验结果表明：该钢在经新工艺6 5 0 。c 3 0 0 0 h 时效后其常温性能和高温性能都 比经老工艺处理有显著提高。如冲击韧性提高了1 5 倍，f a t t 降低2 0 。c ，6 5 0 。c 下e 9 1 1 钢管按g b f r l 3 3 0 3 9 1 其氧化级别为一级，为完全不氧化。文章 还对e 9 1 1 钢常温及高温时效后母材和焊接接头的高温持久强度进行了试验 研究。 试验结果表明，e 9 1 1 钢完全可以代替t p 3 0 4 h 、t p 3 2 1 h 和t p 3 4 7 h 不锈 钢，可解决异种钢焊接问题，并可降低锅炉的制造成本。 关键词：e 9 1 1 钢；热处理工艺；结构组织；力学性能 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e so fe 9 11s t e e lw e r ea n a l y z e dw h i c hw a s p r o d u c e db yv a l l o u r e c & m a n n e s m a n nc o m p a n y t h eo p t i m u mp a r a m e t e r s o fh e a t 仃e a t m e mp r o c e s sa r en o r m a l i z i n ga t1 0 4 0 ca n dt e m p e r i n ga t7 9 0 c t h ee o m p a r i s i o nt e s t s w e r ec o m p l e t e di nt e r m so ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，i m p a c tv a l u e s ，h i g ht e m p e r a t u r ec r e e p m p t u r es t r e n g t ha n da n t i o x i d a n tp r o p e r t i e so fn e wm e t h o d s a n do r i g i n a lp r e o c e s s ，t h e m i c r o s t r u e t u r ea n df r a c t u r es u r f a c ew e r ea n a l y z e db ym e a n so fo p t i c a lm i c r o s c o p e ， t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) m e a n w h i l e t h er e s u l t ss h o w nt h a t , a f t e ra g i n gt r e a t m e n ta t6 5 0 cf o r30 0 0h o u r s , t h e p r o p e r t i e so f t h i ss t e e la tr o o mt e m p e r a t u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r ew e r em u c h b e t t e rt h a nt h o s e o f t h eo r i g i n a lp r o c e s s e s ，s u c h 鹪t h ei m p a c tv a l u e si n c r e a s e d 印t o1 5t i m e so f t h eo r i g i n a l p r o c e s s e s ，f a t td e c r e a d a d2 0 c ，a n df u r t h e r m o r e ，t h et u b em a d eo f e 9 1 1w a sn o to f o x i d a n t a t6 5 0 ( 2b a s e do i lg b t 1 3 3 0 3 - 9 1 t h eh i 曲t e m p e r a t u r ec r e e pm p t u r es t r e n g t h so f t h eb o d y a n dw e l d i n g j o i n tw e r em e a s u r e df o rt h i ss t e e li nt h es t u d y i ti ss u g g e s t e dt h a te 9 1is t e e lc o u l dc o m p l e t e l yr e p l a c et p 3 0 4 h 、t p 3 2 1 ha n d t p 3 4 7 hs t a i n l e s t e e l i ti sab e t t e rs o l u t i o nt ot h eh e t e r o g e n e o u sw e l d i n gp r o b l e m sa n d r e d u c e st h em a n u f a c t u r i n gc o s to f b o i l e r k e y w i l r d ：e 9 11s t e e lt u b e ；h e a tu e a t m e mp r o c e s s ；m i e r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担 作者( 签字) ：互至塞垣 日期：2 护刁年月f 夕日 哈尔滨工程大学硕十学侍论文 1 1 概述 第1 章绪论 2 0 世纪中期含有钼和钒合金元素的9 c r 钢开始在电厂使用1 1 - 4 。在5 0 年 代德国生产的x 2 0 c r m o v l 2 1 合金首先用于锻造汽轮机部件。自1 9 5 7 年解决 了x 2 0 c r m o v l 2 l 钢的可焊性问题之后在欧洲大陆的电厂中普遍使用了这种 合金管材。 为了改进火力发电站用钢的高温强度，在全世界进行着各种9 c r 钢的研 究。在这些钢中，由o k a r i d g e n a t i o n a l l a b o r a t o r y 研制的改良9 c r 钢( 也叫 超9 c r 钢) 表现出最高蠕交断裂强度。9 c r | m o v n b n 钢( 简称9 l 钢，前冠p 为电厂管，t 为锅炉管，f 为锻件) ，是美国在7 0 年代后期随着美国燃烧工程 和橡树岭国家实验室提出的在9 c r - l m o 耐热钢基础上改进的比较成熟的锅炉 与压力容器用钢，使锝9 0 r 钢的发展得到了新的势头。1 9 8 3 年已正式纳入 a s t m 标准，1 9 8 4 年纳入a s m e 锅炉与压力容器规范s a 2 1 3 。中国己将其 纳入标准g b 5 3 1 0 中。该钢的特点是在9 c r l m o 钢中加入少量的v 、n b ，控 制n 和a l 含量，降低c 含量，该钢具有高的抗氧化性能和抗蒸汽腐蚀性能， 良好的嚅变断裂强度等力学性能。在使用温度低于6 2 0 时，其许用应力高 于奥氏体不锈钢，与奥氏体不锈钢的异种钢焊缝比较，其热强性可达到本身 同种钢管焊接接头的性能水平。从8 0 年代起，我国一些火电厂引进p 9 1 钢， 开展国产化研制工作。本材料起初开发为快中子增殖反应堆中蒸汽发电站用， 而目前通过包括实际试验使用的各种试验，被证实为亦可利用于矿物燃料发 电站1 5 】。 p 9 1 钢是2 0 世纪7 0 年代美国在9 c r - 1 m o 钢基础上开发的马氏体热强钢， 1 9 8 3 年正式纳入美国a s l m ，a s m es a 3 3 5 ( p 9 1 ) 标准中。该钢主要用于制 作高压锅炉的过热器和再热器管及火力发电站的主蒸汽管道。由于这种耐热 钢具有较好的热强性能、焊接性能和工艺性能，以及对应力腐蚀开裂不敏感 和生产成本较低，所以是亚临界压力、超临界压力火力发电枧组和核电机组 的理想用材，并具有广阔的市场前景。我国从9 0 年代初开始研制和生产p 9 1 钢管，并己将该产品纳入新修订的o b 5 3 l o 标准中 6 1 。改良型9 c r - l m o ( 改良 哈尔滨丁稃大学硕七学位论文 型t 9 1 ) 钢具有优异的高温强度及良好的综合力学性能，是有着广阔应用前 景的新型马氏体耐热钢。在锅炉上用于过热器和再热器以及主蒸汽管道等部 件，用来代替1 0 2 和t p 3 0 4 h 等不锈钢，其高温持久强度优异f f l 。 p 9 1 钢由于含有大量c r 、m o 等合金元素，马氏体的板条在高温回火时 并不发生再结晶形成等轴晶粒的铁素体基体，却以多边化回复的马氏体板条 和亚稳态位错网的形成来释放马氏体相交时的形变储存能。也就是说，在a l 相变点以下高温回火时以多边化回复释放正火时马氏体形成所引起的形交储 存能，致使再结晶驱动力不足。这就使得具有回火板条马氏体组织的p 9 1 钢 既保留了马氏体的强化效果，又因马氏体板条多边化回复形成的亚稳状态， 可以抵抗a l 相交点以下高温的长时间作用而成为热强性和热稳定性兼具的 优良性能的热强钢。 1 2 超超临界锅炉钢的研究现状 1 2 1发展超超临界锅炉的意义 超超临界压力参数( 指蒸汽温度i 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。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 m 。因此，在国内国外，超超临界锅炉的相关研究开发都成为一个重要和很有 意义的课题。 1 2 2 超超临界锅炉的发展 美国是发展超i 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 筐纪5 0 年代初就开 始研究超超临界发电技术1 1 0 l 。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 ，主汽温度5 3 8 ，一 次再热汽湿多为5 3 8 ，二次再热为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i t t l 。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 2 哈尔滨t 稗大学硕七学位论文 组最多的国家f 1 2 l 。4 6 5 8 1 9 4 9 年投运了第1 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。我国从俄罗斯引进的1 0 台超临界 机组都属于世界6 0 年代水平，采用的材料档次也比较低。在欧洲，德国是研 究和制造超临界机组较早的国家之一啕，丹麦在1 9 9 8 年和2 0 0 1 年投运了2 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。日本国内 缺乏燃料资源，要依赖进口，提高蒸汽参数、采用大容量机组是提高发电效 率、减少基建投资的最有效措旖。因此，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 多年的发展已处于世界领先水平。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 、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2 台机组，容量1 0 5 0 m w ，蒸汽参数为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【1 4 l 。 1 2 3 超临界锅炉管材用钢简介 在水- 汽临界点( 2 2 1 1 5 m p a 3 7 4 1 54 c ) 以上的超临界状态下使用的管用耐 热钢，长期承受着高温高压蒸汽的高应力载荷，因此必须有足够的热强性和 热稳定性，抗蚀性与热导性，以及良好的加工工艺性( 冷、热成型性和焊接 性) 【1 q 。基于此服役条件和性能要求，管用热强钢多采用热导性好和热膨胀系 数小的马氏体类钢，其合金化和热处理应遵守的原则是，保证钢在获得足够 强度和塑性时，具有组织结构在高温高应力状态的稳定性m 。 1 2 4 国内外超超临界锅炉管用耐热钢的现状 在国外，美国这个发展超临界发电技术最早的国家，在1 9 5 7 年和1 9 5 9 年就已投运1 台超超临界枫组，但由于这些机组蒸汽参数选择过高，超越了 当时金属材料技术水平，用钢方面直接搬用航空、燃机材料，使用了大量奥 氏体钢，在运行中出现了很多问题：如锅炉中奥氏体钢1 7 1 4 c u m o 过热器管 高温腐蚀严重，3 1 6 h 奥氏体钢管因小弯头支管、屏管、连接管上出现裂纹和 焊接不良等原因损坏或爆管，从而不得不降低运行参数。为了解决这个问 哈尔滨工程大学硕士学位论文 题，8 0 年代，美国橡树岭国家实验室( o r n l ) 和燃烧工程公司( c e ) 联合研制 t 9 1 p 9 1 钢，这在电站锅炉用钢上具有重要的意义删。欧洲在材料研制方面的 成就主要有t 2 4 ，但实际上并未被a s m e 标准认可。另外在欧洲常用的钢 种还x 2 0 c r m o v l 2 1 ( h t 9 1 ) ，e 9 1l ( 类似于n f 6 1 6 ，也就是p 9 2 ) ，还有不锈钢 材料x 3 c r n i m o n l 7 1 3 等。日本超超临界锅炉的发展迅速与他们在材料研究 方面的成就分不开的【2 l 】。 在国内，我国已具备设计、制造常规超临界机组的能力，但在材料技术 上与国外仍存在很大差距嘲。我国火电机组锅炉用钢的开发，近几十年来几 乎处于完全停滞状态。目前超临界火电机组，甚至包括部分亚临界机组锅炉 中的许多关键材料完全依赖进口。新材料的开发和应用是锅炉制造取得技术 进步的基础，新材料是由材料标准和技术条件作为载体而实施的。虽然从国 外购买先进材料是现阶段发展超临界火电技术的最现实的途径，但是只有充 分了解掌握国际上那些技术成熟的新材料，并将其纳入我国电站锅炉用钢标 准，建立适合我国火电机组发展的先进的锅炉用钢体系，促进新型锅炉用钢 国产化，才是发展我国超临界火电机组的关键。目前完全依靠本国力量在 材料的开发研究上有较大困难，因此，迫切需要明确方向，借鉴日本发展大 容量火电机组的经验，引进、消化和掌握先进技术，使我国的火电技术向着 高参数、高效率的方向稳步发展卅。 1 2 5 超超临界锅炉钢的研究意义 超超临界机组的关键技术是多方面的，在设计和制造上都有高难技术， 但热强性高、工艺性好、价格低廉材料的开发则是最关键的问题闭。 按照标准规定，压力兰9 8 m p 为高压机组、压力三1 3 7 2 m p 为超高压机组、 压力 1 6 6 6 m p 为亚临界机组、压力筮2 1 l m p 为超临界机组，当然不同压力 参数机组的蒸汽温度( 由亚临界5 4 0 向超临界的5 6 6 、超超临界的6 0 0 c 发展) 必然有所不同1 2 7 。在这种条件下，对材料的要求自然不同。机组的大型 化、运行参数的提高，特别是现在的超超临界机组，对电站用关键钢铁材料 要求更为苛刻了。发电设备的发展是以材料的发展为基础，随机组容量增 大、温度和压力的上升，必然要求强度更高、耐热性更好的高温材料作为设 计制造的保证。随着我国机组向高效率、大容量、清洁煤技术方向发展，发 4 哈尔滨1 + 稃丈学硕十学位论文 电设备材料必将围绕着超临界、超超临界机组、大型循环流化床锅炉、燃气 一蒸汽联合循环机组等方向研制相应的关键材料，以满足机组要求m 。高热 效率发电机组要求在运行温度下具有好的高温强度和优异的抗氧化、热耐蚀 性能，对材料的要求也越来越高。因而材料是发展超超临界机组的重要因素。 1 2 6 我国超超临界锅炉的现状 在我国，由于火力发电在我国的能源工业中占有十分重要的地位，占我 国发电总量的8 0 以上，在近一段时期，火力发电仍是我国电力发展的重中 之重0 0 。将近些年我国相继从欧洲、美国和日本引进或即将引进 3 0 0 m w 6 0 0 m w 9 0 0 m w 或1 0 0 0 m w 机组设计和制造技术、或与国外合作开 发设计制造6 0 0 m w 9 0 0 m w 或1 0 0 0 m w 机组。从我国的政策角度看，今后 火电以展大容量6 0 0 m w 9 0 0 m w 或1 0 0 0 m w 为主，这不仅可以尽快提高电 力工业水平，而且还能节约大量一次性能源。 2 0 0 4 年，中国华能集团投运的沁北电厂2 x 6 0 0 m w 超临界机组，为我国 自行研制、开发大型超超临界发电机组奠定了基础。2 0 0 2 年国家科技部把“超 超临界燃煤发电技术”研究课题列入8 6 3 计划，并由国内近2 0 个科研机构、 大学、电力设计单位参与课题的各项研究任务。国家计委批准的华能玉环电 厂2 x 1 0 0 0 m w 级超超临界发电机组，2 0 0 3 年3 月已动工兴建。超临界和超 超临界机组将成为我国“十五”后的主要发展机型1 3 l l 。 在目前我国平均供电耗煤比国外先进水平高出7 0 一8 0 9 ( k w h ) ，即高 出2 5 以上，资源浪费太大，废气排放严重，如果与国外超超临界机组相比， 则耗煤差距更大。近些年来，随着我国经济结构的调整，电力供需逐步趋缓， 但我国人均用电水平仍相当低，随着社会经历的发展，人民生活水平的提高， 用电需求必将增大，因此，遵照“十五”期间我国电源建设的原则和方向， 按照保护环境、节约资源、可持续发展的战略，着手研究开发新一代大容量 超超临界燃煤机组的应用是个很现实的问题。在我国发展超( 超) 临界机组已 成为必然趋势，这不仅是我国电源结构调整的需要，还是我国电力工业分技 术跨越的必然要求。 在我国，超超临界钢的研究才刚刚开始，国家将该钢研究列为国家“8 6 3 ” 计划，哈尔滨锅炉厂承担子课题：超超l 临界锅炉用e 9 1 l 钢管焊接接头的实 哈尔滨1 。程大学硕十学位论文 验研究，该厂引进德国v a l l o u m c & m a n n c s m a n n 公司的e 9 1 l 钢管并对母材和 焊缝进行了一系列卓有成效的研究，其中包括e 9 1 1 钢管和焊缝的力学性能、 化学成分分析、高温时效、高温瞬时拉伸、高温持久强度、抗氧化性能等试 验，并对e 9 1 l 钢的组织进行了分析。相应的研究课题也陆续在上海锅炉厂、 武汉锅炉厂、东方锅炉厂及有关的研究所开展了研究。 1 3e 9 1 1 钢的发展历史 随着锅炉蒸汽温度及压力的增加，要求有更高持久强度的新钢种以提高 锅炉的效率，减少能源的浪费，e 9 1 l 已生产出的尺寸范围为，4 4 5 x 7 1 f 4 9 0 x t 0 m m 、目前在6 0 0 m w 的屏再出口导管用的材料是，6 6 0 x 5 0 m m 的 p 9 1 ，工作温度是6 0 0 、而p 9 1 的使用温度是5 6 6 ，如用e 9 1 l 这种使用 温度6 0 0 的材料较为合理，并可使壁厚减薄，使焊接较易进行，具有较大 的经济效益。当壁厚过大时，管子的轧制也变得难于进行，为了减少壁厚 只有采用持久强度高的材料。由于e 9 1 l 是一种新研制的钢种，国内在锅炉 设计上还没有用到，如哈尔滨锅炉厂准备干的9 0 0 m w 锅炉中再热器出口集 箱由于对新材料没进行试验工作，图纸设计材料仍用p 9 1 ，远落后于发达国 家，因此有必要对e 9 1 l 进行试验研究p “。 英、美研制开发了p 9 1 钢，但由于其持久强度低没有获得广泛应用，实 际上在欧洲获得广泛应用的是法国研制的e m l 2 ( 9 c r - 2 m o ) ，日本从1 9 6 7 年开始采用超临界机组，其参数为2 4 1 m p a ，5 3 8 5 6 6 0 7 1 。之后日本超临界 机组的蒸汽参数不断提高，到2 0 0 0 年日本计划投运5 台蒸汽参数为 5 9 3 5 9 3 ，单机容量7 0 01 0 0 0 m w 级的超超临界机组。只有提高蒸汽参数 ( 压力、温度) ，发电机组的效率才能得到提高，而提高蒸汽参数需要强度更 高、性能更可靠的耐热钢。在1 9 8 5 1 9 9 0 年，日、美、苏、德、法等国已着 手研制开发可实际运行的超超临界机组( u s c ) 嗍，并制定了超超临界机组 的两步发展计划，其中第一步目标是主蒸汽参数为3 0 m p a ，5 9 3 5 9 3 5 9 3 ； 第二步目标是主蒸汽参数为3 4 5 m p a ，6 4 9 6 4 9 6 4 9 ( 2 。第二步目标比目前常 规的蒸汽参数为2 4 i m p a ，5 3 8 5 6 6 。c 的超临界机组( 国内机组) 净效率提高 8 8 。蒸汽温度不低于5 9 3 或蒸汽压力不低于3 i m p a 被称为超超i 临界f 3 t l 。 在国外t 9 1 最高用到5 6 6 ，当蒸汽参数提高到5 9 3 时不用t 9 1 ，改用t 9 2 ， 6 哈尔滨t 程大学硕七学付论文 但t 9 2 的焊接较困难，因此又开发了e 9 1 1 ，e 9 1 l 的焊接性也好。从目前世 界各国高蒸汽参数发电机组的发展来看，电站锅炉耐热钢的研究方向是发展 蠕变强度高于t 9 1 p 9 1 的非热交换厚壁件以替代奥氏体不锈钢，只有在考虑 抗腐蚀时才考虑用奥氏体不锈钢制作厚壁件。5 5 家机构参与研究开发e 9 1 l ， a b b 带头研制，最早在德国锻件上使用，用于管子上最早为m a n n e s m a n n 公 司口q 。 9 c r - 1 m o v - n b - n 的高温强度可与t p 3 0 4 不锈钢相比，因此能用于电站 锅炉的过热器和再热器管来代替t p 3 0 4 hl m 。e 9 1 1 的高温蠕变断裂强度超过 t p 3 0 0 系的奥氏体不锈钢，具有优良的断裂韧性、抗熟腐蚀性、可加工性、 可焊性，引起了人们的极大关注。具有十分广阔的应用前景、经济效益明显。 其6 0 0 1 0 万小时的持久强度比t 9 1 高2 0 以上，并高于t p 3 0 4 h 、t p 3 2 1 h 和t p 3 4 7 h 的持久强度，因此要采用先进蒸汽参数的发电机组，耐热钢的研 究开发必须先行。 1 4 研究e 9 1 1 钢的必要性 随着锅炉蒸汽温度及压力的增加，要求有更高持久强度的新钢种以提高 锅炉的效率，减少能源的浪费i 删，e 9 1 1 钢是在t 9 1 钢之后由欧洲多个国家 c o s t 研究设计的，该钢从1 0 6 0 的奥氏体化温度冷到室温时的组织为马氏 体，使用态为正火加回火组织。由德国v a l l o u r e e & m a n n e s m a n n 公司提供的 e 9 1l 钢的持久试验已做到3 0 0 0 0 h 。e 9 11 钢的高温蠕变断裂强度超过t p 3 0 0 系的奥氏体不锈钢，具有优良的断裂韧性、抗热腐蚀性、可加工性、可焊性， 引起了人们的极大关注。具有十分广阔的应用前景、经济效益明显。e 9 1 1 钢 在6 0 0 下外推1 0 5 h 的持久强度为1 1 8m p a ，而t 9 1 钢为9 0 m p a ，其6 0 0 1 0 万小时的持久强度比t 9 1 高3 0 ，并高于t p 3 0 4 h 、t p 3 2 1 h 和t p 3 4 7 h 的持 久强度，因此要采用先进蒸汽参数的发电机组，耐热钢的研究开发必须先行。 用w 来代替9 1 2 c r - m o 钢的一部分m o 对于提高持久强度是非常有效 的，开发的锅炉管9 c r - 0 5 m o 1 8 w - n b v 钢在6 0 0 1 0 万小时的持久强度为 1 5 7 m p a ，研究表明9 c r - 0 5 m o 1 8 w - n b v 钢能够代替1 8 8 系列的奥氏体不 锈钢用于集箱和管子1 i 】。e 9 1 l 是在t 9 1 ( p 9 1 ) 之后由欧洲多个国家c o s t 哈尔滨i ：稃大学硕十学何论文 研究设计的，为了提高持久强度通过添加w 来实现的，w 起固溶强化作用， 并且w 降低m 2 3 c 6 碳化物长大的速度，沉淀强化导致富w 拉维斯相的析出， 拉维斯相的析出可导致过时效颗粒的脆化，基于这种情况，e 9 1 l 的w 含量 为o 9 0 1 1 0 ，e 9 1 1 在正火回火态使用，当从1 0 6 0 的奥氏体化温度冷到 室温组织为马氏体。v a l l o u r e c & m a r m e s m a n n 公司提供的持久试验已做到 3 0 0 0 0 h 。在6 0 0 下外推1 0 5 h 的持久强度为1 1 8 m p a ，而t 9 1 为9 0 m p a 。 总之，研究、比较和评价e 9 11 钢管在常温和高温下的各种力学性能，对 e 9 1 l 钢管的应用和推广具有重要的实际意义。 1 5e 9 1 1 钢的化学成分 在t g l 钢中的元素所起的作用与在e 9 1 1 钢中的相同，只是e 9 1 1 钢中还加 入了钨、硼元素以提高钢的持久强度，可从t 9 1 钢的元素组成来了解e 9 1 1 钢 的特点 4 2 1 。而t 9 1 钢是在t 9 钢的基础上添加了钒、氮、铌并降低碳含量得到 的。氮含量高使t 9 1 钢的持久强度也有较大的提高，氮与持久强度之间的关 系几乎呈直线关系。钒含量的增加降低了t 9 1 钢的持久强度。当铝含量 0 0 4 时，其它元素对t 9 1 钢持久强度的有利作用将被大大降低，t 9 1 钢的高温 持久性能将明显变坏f 叫。t 9 1 钢的弥散析出相对其持久强度有很大的影响， 而这些析出相主要是m 2 3 c 6 和m c ( n b ，v 的c ，n 化物) 相，前者主要是起基 体强化作用，而后者才是使t 9 1 钢在高温下有较高的持久强度的重要原因， 其中氮化物的贡献最大。c n 高对持久强度不利，而n b v 高对持久强度 有利1 4 4 1 。t 9 1 钢中铝和钒主要存在于m c 相中，从而对t 9 1 钢的持久强度产 生影响。n a 1 较高时( 3 ) ，t 9 1 钢持久强度增加较明显。铝和氮的化学亲 和力较强，当n a 1 比值较高时，与铝结合后剩下的氮值也就高，这就提高 了m c 相中的氮含量，从而使c n 比值降低，提高持久强度。钢、铝和钒 用来提高持久强度，另外加铌和钒有利于焊接，低碳是为了有利于焊接，加 铝、钒和氮是起析出强化作用【4 5 1 。铬和硅的加入有利于抗氧化性能的提高。 由于v n b 碳氮化物的沉淀强化使t 9 1 钢的持久强度增加【帕】。 进一步提高钢的持久强度可通过添加钨来实现，钨起固溶强化作用，并 且钨可降低m ：；c 6 碳化物的长大速度，沉淀强化导致富wl a v e s 相的析出和 3 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 过时效颗粒的脆化，基于这种情况，e 9 1 1 钢的钨含量为o 9 0 一1 1 0 。e 9 1 1 钢与t 9 1 钢成分上的差别是前者加入了钨和硼，硼起强化晶界的作用，从而 提高持久强度 4 7 1 。 9 一1 2 c r 钢的特点是它们空淬成马氏体的能力，如1 0 0 m m 厚的断面 可空淬成马氏体。而淬火马氏体经正火和回火热处理后形成的回火马氏体， 在回火时得到了高的、均匀的位错密度和细小颗粒的密集碳化物、氮化物的 析出。细小的碳化物和氮化物颗粒的分布和高温稳定性是造成高持久强度的 关键。e 9 1 1 钢中的平衡析出物是m 2 3 c 6 ，i v l x ，m 2 x 和l a v e s 相，m c 6 碳化 物通过阻碍晶粒长大来增加持久强度，m ：，c 。的热稳定性相当高。通过增加强 化相m 2 3 c 6 的量使6 0 0 。c 的持久强度提高约5 0 。m x 析出物的热稳定性非 常高，这能解释它们对持久强度巨大的影响。众所周知，添加钒、铌和氮能 增加钢的持久强度。平衡计算表明，在e 9 1 1 钢中m 2 x 是一个稳定相，这是 由于在1 0 5 0 c 时不溶的m x 包含了碳。e 9 1 1 钢的合金元素的变化首先是钢含 量的变化或钨的添加，这些变化可提高持久强度约3 0 。经不同热处理后 e 9 1 l 钢管的显微组织都是m 日 十碳化物i 4 。】。 1 6 选题的目的及意义 发电效率提高的同时对材料也提出了更高的要求。提高压力虽然也可提 高锅炉的发电效率，但却没有提高温度经济，将压力由2 5 m p a 提高到3 1 m p a ， 可使锅炉的发电效率提高1 ，但相应部件都要增厚，不如提高温度经济1 4 9 1 。 因此要采用先进蒸汽参数的发电机组，耐热钢的应用研究开发必须进行。超 超临界机组的关键技术是多方面的，在设计和制造上都有高难技术，但热强 性高、工艺性好、价格低廉材料的开发则是最关键的问题。在材料方面，一 般一种发电设备用耐热钢从开发到商业使用需要1 0 年以上的时间，需要企业 投入大量的人力、物力和财力。目前国外( 尤其是日本近年来) 在这方面的 开发研制、制造能力和水平处于领先地位，而我国由于各种原因的影响对新 型耐热钢的研究远落后于发达国家。发达国家在材料上的研究和制造的垄断 状况势必对我们未来的电站锅炉技术发展、产品的成本和市场占有率产生负 面影响。因此积极开发锅炉耐热钢，是锅炉行业发展、争取生存空间的必然 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 举措。 随着我国电站锅炉向大容量、高参数方向迅猛发展，锅炉行业在制造大 容量、高参数亚l 晦界和超临界锅炉所需要的e 9 1l 钢管必将会越来越多，为此， 锅炉行业迫切希望国内钢管生产企业能研制和大批量生产e 9 1 1 钢管以替代 进口产品，因此，掌握e 9 1 l 钢的组织及性能和制定合理的热处理工艺就显得 尤为重要。因此本课题从e 9 1 l 钢管的热处理工艺优选开始，对母材及焊接接 头进行一系列的常温性能、高温性能试验，同时对该钢的显微组织进行理论 探讨，为工程应用提供可靠的技术数据，为工厂制定锅炉制造工艺提供依据， 为我国生产超超临界锅炉做好技术准备，该研究无疑对e 9 1 1 钢的应用及改进 具有重大意义。 1 7 论文研究内容 ( 1 ) e 9 1 1 钢的热处理工艺优选 ( 2 ) 6 5 0 长长期时效后的力学性能试验。 ( 3 ) e 9 1 l 钢的抗氧化性试验 ( 4 ) e 9 1 1 钢冲击断口扫描电镜观察 ( 5 ) e 9 1 l 钢透射电镜微观组织观察及分析 1 0 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 第2 章试验材料与试验方法 2 。1 试验材料 本实验所使用的f1 5 9 x 2 7 m me 9 1 1 钢管材料是由v a l l o u r e e & m a r m e s m a n n 公司为哈尔滨锅炉厂( 以下简称哈锅) 提供的，炉号为7 9 5 0 6 ， 供货状态为1 0 7 0 c 0 5 h 空冷+ 7 7 0 1 h 空冷，其化学成分符合德国企业标准 的要求。表2 1 为e 9 1 1 钢管的成分。 表2 1e 9 1 1 钢管的化学成分( ) cs im npsc rm o 质保书o 1 2o 2 00 4 7o 0 1 50 0 0 28 6 20 9 4 哈锅实测 母材0 1 2o 1 80 4 5o 0 1 60 0 0 38 7 71 0 0 f 0 5 0 0 4 0 啥锅实溯 焊缝 0 0 9o 3 l0 5 20 0 1 50 0 0 58 9 l 0 9 9 f 0 5 0 0 4 0 0 3 0 - 0 6 0 9 0 一1 1 a 0 0 9 - - o 1 30 ，1 0 - - 0 5 00 0 2 00 0 1 0s 5 0 - 9 5 0 o0 o 3 0 0 6 0 9 0 一1 i b0 加1 30 1 0 o 5 00 0 2 00 0 1 0s 5 0 母5 0 0o wn ivn bn a l b 质保书0 9 5 9o 2 40 2 0 30 0 8 40 0 7 5o 0 1 60 o o l 8 哈锅实测 母材1 0 5o 2 l0 2 00 0 80 0 40 0 20 0 0 2 f 0 5 0 0 4 0 哈锅实铡 焊缝1 0 30 5 8o 2 0o 0 60 0 4o ，0 20 0 0 0 6 f 0 5 0 0 4 0 0 1 8 o 200 6 0 卸1 00 0 5 0 - 0 0 90 0 0 0 5 - - 0 a0 9 0 1 1 0 0 1 0 加4 00 0 4 0 5 000 0 5 0 o 1 s 卸2o o 0 0 3 0 bo 9 0 1 1 0o 4 0o0 6 0 曲1 0 o0 4 - - o 0 9o 5 0 0 6 注；a ：德国m r wd a t as h e e t4 3 6 r b ：p 9 1l ( a s m es a 3 3 5 s a 一3 3 5 m 2 0 0 5 ) 哈尔滨丁稃大学硕七学位论文 2 2 试验方法 热处理在h 1 5 型和s x 1 0 1 2 型箱式热处理炉中进行，用w e - - 3 0 型液 压式万能试验机进行冷弯试验，用j b 3 0 b 型冲击试验机进行冲击试验，用 c s s - 1 1 1 0 型电子万能试验机进行常温及高温拉伸试验，用h v 一1 2 0 型维氏 硬度计进行维氏硬度测定，用h b 3 0 0 0 型布氏硬度计进行布氏硬度测定，用 w g 3 - - 1 0 5 0 型高温长均热区试验电炉进行时效试验，采用英国 m a g i s c a n h a 型图像分析仪和c a m - s c a n 型扫描电镜观察断口的断裂特 征，并依照g b t 1 2 7 7 8 9 1 有关金属夏比冲击断口的测定方法，来测定冲击 断口的韧性区面积百分比。用n e o p h t - i i 型和a x i o v e r t2 0 0m a t 型金相显微 镜进行金相组织观察及照相，组织显示用4 硝酸酒精。透射电镜试样采用 m t p i a 型双喷电子减薄仪减薄，在p h i l i p sc m l 2 型透射电镜下进行观察， 对碳化物采用e d a x r 9 1 0 0 型能谱分析仪进行成分测定。持久强度试验在 c l l o9 1 0 a 型六头持久试验机上进行，试验方法按g b 厂r 2 0 3 9 9 7 。对埋弧焊 接头的持久试样采用圆棒试样，焊后对管接头进行7 5 0 3 小时炉冷的消除 应力热处理。焊接时采用f2 4 1 0 0 0 m m 的t h e r m a n i tm t s 9 1 1 手工氩弧焊 ( g t a w ) 焊丝打底、焊接预热温度为2 0 肌2 5 0 、层间温度为2 5 0 3 5 0 、 采用纯氩保护、直流正接( d c ) ，采用f4 x 3 5 0 m m 的t h e r m a n i tm t s 9 1 1 手工电弧焊( 舳d w ) 焊条填充、焊条用前进行3 0 0 - - 3 5 0 2 小时烘干、焊 接预热温度为2 0 0 、层间温度为2 5 0 3 5 0 、焊接电流为2 0 0 a 、采用s s 6 3 0 型松下焊机、直流反接( d c + ) ，采用，3 r a m 的t h e r m a n i tm t s 9 1 1 埋弧焊 ( s a w ) 焊丝盖面、焊剂采用m a r a t h o n 5 4 3 、用前进行3 0 0 - 一3 5 0 2 小时烘 干、焊接预热温度为2 0 0 、层间温度为2 7 0 、焊接电流为3 5 0 - - 4 0 0 a 、焊 接电压为3 2 v 、采用n a 3 s 型自动焊机、直流反接( d c + ) ，焊接速度为o 5 米分。 2 3 本章小节 本章主要介绍了实验所使用材料以及实验仪器。实验材料选用e 9 1 1 钢 管，本实验主要是在不同处理工艺优选出新的工艺，为上钢五厂对e 9 1 l 钢 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 进行国产化提供数据，实验设计及实验内容除了考察母材还对焊接工艺以及 焊缝一并加以考察。 哈尔滨工程大学硕十学何论文 第3 章e 9 1 1 钢的力学性能分析 3 1 原始态e 9 1 1 钢的力学性能 对供货状态，3 5 5 x 4 3 r a m 的e 9 1 1 钢管和焊接接头我们进行了试验，详 见表3 1 。从表3 1 可看出v a l l o u r e c & m a n n e s m a n n 公司提供的e 9 1 1 钢管的 力学性能符合德国企业标准的要求。 表3 1 供货状态f3 5 5 4 3 m me 9 1 1 钢管的力学性能 试样试验 e r a 2 饥 a ， 1 8 0 。 检验编号 屈强比 冷弯 a k - v h r h b 方向 温度( )( g p a )( u p a ) ( )( j )b c l = 2 a 母材 1 9 12 3 9 质保书室温 5 6 77 3 6 2 2 5 0 7 71 8 72 3 2 横向 1 8 52 3 4 面弯 母材台格 1 6 29 2 2 2 9 f 0 5 0 0 2 5室温5 8 07 4 02 l0 7 81 8 09 3 横向背弯 2 2 6 1 5 09 3 合格 母材 1 7 4 f 0 5 0 0 4 2 室温 6 0 07 5 52 30 7 91 8 2 纵向 1 8 0 接头 2 22 5 59 8 f 0 5 0 0 2 3室温5 7 07 3 02 0 40 7 81 32 5 59 6 纵向 2 6 2 6 3 9 4 p 9 1 1 横向 1 3 ( a s m e s a 3 3 5 s 4 4 06 2 0d = 2 5 a - 3 3 5 m - 2 纵向 2 0 0 0 5 ) e 9 l l v d t6 2 0 8 51 9 0 - - 室温 4 5 01 76 8 5 2 2 ，202 6 5 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 ，2 热处理工艺的优选 材料供货状态为1 0 7 0 3 0 分正火+ 7 7 0 6 0 分回火，e 9 1 1 钢目前国内 尚未进行生产，为了对该钢今后国产化的研究和生产，首先对其热处理工艺 进行了优选。 3 2 ，1 正火及回火工艺温度的选择 正火温度分别选择在1 0 2 0 、1 0 4 0 c 、1 0 6 0 、1 0 7 0 c 、1 0 8 0 及1 1 0 0 下保温o 5 h ，空冷。回火温度分别为7 3 0 、7 5 0 c 、7 7 0 c 、7 9 0 c 及9 1 0 下保温1 h 后空冷。钢管热处理工艺为在以上6 种不同的正火工艺条件下+ 7 7 0 1 2 相同的回火工艺条件下；同时另外一组试样则经同一温度1 0 4 0 ( 2 正火， 随后进行不同的工艺回火。 3 2 2 热处理对力学性能的影响 表3 2 即为优选试验后不同热处理状态下e 9 1 1 钢管的力学性能数据，图 3 1 为正火温度对f1 5 9 x 2 7 m m 的e 9 1 1 钢管力学性能的影响，图3 2 为回火 温度对f1 5 9 x 2 7 r n m 的e 9 1 1 钢管力学性能的影响。从表3 2 可看出当回火温 度一定时，正火温度采用1 0 4 0 c 时的、a k v 较高，综合力学性能最好，因 此优选正火温度为1 0 4 0 。在1 0 4 0 正火后，回火温度在7 5 0 以下时，6 。 偏低、h v l o 过高，不合格；当回火温度在7 7 0 8 1 0 时的综合力学性能较好， 考虑到大生产时温度的波动，将回火温度定在7 9 0 c 时最好，此时9 ”样的综 合性能最佳，此时的延伸率6 。比1 8 、3 4 都高，即6 。最高，a k v 也比1 4 供货状 态的高，6 5 0 c 下的高温拉伸性能也优于1 8 样，其它性能指标都有足