（材料学专业论文）t91钢金属监督基础研究.pdf

摘要 摘要 t 9 1 钢是在9 c r l m o 钢的基础上添加v 、n b 、n 等元素而形成的一种新型马氏 体型耐热钢，具有很高的高温综合性能，可用来制造火力发电厂锅炉的蒸汽管道、 再热器等设施。由于t 9 1 钢长期在高温和压力作用下运行，组织发生老化，使其高 温性能下降，进而导致管材提前失效甚至发生爆管事故，因而有必要对t 9 1 钢的金 属监督进行研究。 ， 通过对t 9 1 钢进行高温老化试验，模拟其实际运行条件，并通过组织观察和性 能测试来分析t 9 1 钢老化前后组织的变化和力学性能、物理化学性能的变化。 研究发现，t 9 1 钢的初始组织为回火板条马氏体组织，并有细小的碳化物颗粒弥 散分布于其间。t 9 1 钢通过沉淀析出强化，固溶强化、板条马氏体强化、位错强化等 复合强化的综合作用而获得很好的高温综合性能。 在高温老化的过程中，t 9 1 钢中的回火马氏体组织发生回复，并最终出现块状铁 素体组织，同时碳化物颗粒发生o s t w a l d 熟化，粗化长大并偏聚于晶界，成为裂纹的 发源地。 在试验的基础上结合耐热钢寿命评估的一些基本方法对t 9 1 钢的寿命评估和金 属监督进行了初步的探讨，推导出t 9 1 钢寿命预测的公式，并将t 9 1 钢的组织变化 情况分为五个等级，将公式和金相分析法结合起来作为t 9 1 钢金属监督的基本方法。 关键词t 9 1 钢；强化机理；高温老化；蠕变回复；o s t w a l d 熟化：寿命评估 a b s t r a c t t 91i sak i n do fn e ws t y l em a r t e n s i t eh e a t r e s i s t a n ts t e e l ，w h i c hi sm a d eb ya d d i n g v 、n b 、ne l e l n e n t st o9 c r lm os t e e l t 91s h o w se x c e l l e n tc o m b i n a t i o np r o p e r t i e si nh i g h t e m p e r a t u r e ，s oi t c a nb eu s e di ns t e a mp i p i n g ，r e h e a t e ro ff o s s i lp o w e rp l a n t s f o rt h e l o n g - t e r mh i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，t h em i c r o s t r u c t u r eo ft 9 1w i l lb ea g e da n di t s h i g h t e m p e r a t u r ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw i l l b ed e b a s e d t h o s ew i l lm a k e t 91a b a t i n go rw i l lm a k es t r e a mp i p i n go ft 9 1b u r s t i n g f o rt h e s er e a s o n s ，m a k i n ga s t u d yo fs t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m a n dt h er u l eo fm i c r o s t r u c t u r ev a r i a t i o ni sn e c e s s a r y b yh i g h t e m p e r a t u r ea g i n gt e s t ，w ea n a l o g u ei t sf a c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n a n dw e a n a l y z et h ec h a n g e so fi t s s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n d c h e m i c a lp r o p e r t i e sf o r ea n da f t e ra g e i n gb yo b s e r v i n gi t ss t r u c t u r ea n dm e a s u r i n gi t s p e r f o r m a n c e w ed i s c o v e rf r o mt h es t u d yt h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo ft 9 1i st e m p e r e dm a r t e n s i t i c l a t h ，w i t he x i g u o u sc a r b o n i d ed i s t r i b u t i n ga m o n gi t ss t r u c t u r e b ym e a n so fs o l u t i o n s t r e n g t h e n i n g , m a r t e n s i t i c s t r e n g t h e n i n g 。p r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n g ，d i s l o c a t i o n s s t r e n g t h e n i n g ，e t c ，t h eb e t t e rh i g h - t e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f t 9 1i sa c q u i r e d i ni t sa g e i n gp r o c e s si nh i g ht e m p e r a t u r e ，t h et e m p e r e dm a r t e n s i t i cl a t ho ft 9 1r e t u r n s a n df i n a l l ym a s s i v ef e r r i t ea p p e a r s a tt h es a l t l et i m e ，t h ec a r b o n i d er i p e ni no s t w a l dm o d e ， c o a r s e n i n ga n dg a t h e r i n gi ng r a i nb o u n d a r i e s ，w h e r e f l a w se m a n a t e w eg e tp r e l i m i n a r ys t u d i e si nt h ef o r e c a s t i n go ft h el i f e s p a no ft 9 1a n di t s s u p e r v i s i o nb a s e do ne x p e r i m e n t sa n db a s i cm e t h o d so fl i f e s p a nf o r e c a s t i n g o fo t h e r h e a t - r e s i s t a n ts t e e l s w ed e d u c et h ee q u a t i o nb yw h i c hw ec a nf o r e c a s tt h el i f e s p a no ft 9 1 ， a n da l s od i v i d et h ec h a n g e so ft 9 1 ss t r u c t u r ei n t of i v eg r a d e s ，s ow eg e tt h eb a s i cm e t h o d o fs u p e r v i s i n gt 91b yc o m b i n i n gt h ee q u a t i o na n dt h em e t a l l o g r a p h i cm e t h o d k e yw o r d s t 9 1 ；s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m ；h i g h t e m p e r a t u r ea g i n g ；c r e e pr e c o v e r y ； o s t w a l dr i p e n i n g ；l i f ea s s e s s m e n t i i 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 繇烨 妒。7 年，月溯 指导教师签名： 一沙 v 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 圈不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名： 冲h 脚 指导教师 年厢抛 f 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 引言 1 1 1 耐热钢概述 电力是国民经济的动力，它主要由各种一次能源( 如煤、石油、天然气等) 与再生 能源( 水力、风力、核能、太阳能等) 转换而成。我国是以煤炭为主要一次能源的国家， 在未来3 0 年甚至更长的时间内，火力发电在电力中的主导地位不会改变。火力发电 的机理就是利用煤炭燃烧所发出的热量加热锅炉，使其中的水汽化成具有一定压力 和温度的水蒸汽，经管道引入汽轮机后以高速流动的蒸汽推动发电机组高速旋转， 将过热蒸汽的热势能转变成电能【i 】。由此可知，火力发电厂的设备主要由三大部分组 成：锅炉、蒸汽管道和发电机组。锅炉和高温承压部件如锅炉四管( 过热器、再热器、 省煤器、水冷壁 ) 、主蒸汽管道、导汽管等工作温度一般在4 0 0 7 0 0 之间，这就 要求所使用的钢材应当具有很好的耐热性能，即抗氧化腐蚀性、热强韧性和热稳定 性。 耐热钢是指在高温环境中工作的金属材料，其发展与动力工业的发展息息相关。 火电厂锅炉和其他高温承压部件所使用的耐热钢，以珠光体型耐热钢为主，其他还 有奥氏体耐热钢、铁素体耐热钢和马氏体型耐热钢。 珠光体耐热钢在锅炉上的应用非常广泛，常见的有低碳钢( 2 0 g ) 、钼钢( 1 6 m o ) 、 铬钼钢( 1 2 c r m o 、1 5 c r m o ) 、多元合金化钢( 1 2 c r l m o v 、1 5 c r l m o v ) 等。这类钢合金 元素少，一般只含有少量的钒、钼、铬等合盒元素，总量一般不超过5 ，退火状态 下的组织为铁素体和珠光体，价格比较便宜，冷、热加工性能和焊接性能较好，热 膨胀系数小，导热性好，热处理工艺简单，常用的热处理方式是j 下火加高温回火， 在蒸汽轮机和锅炉制造中应用很广，其使用温度一般在5 8 0 - - 6 0 0 以下。由于低碳 钢抗氧化性能差，不能说是耐热钢，但是其价格便宜，加工性能优异，因此常用于 温度低于4 5 0 的管道箱壁坏境下。钼钢的热强性优于低碳钢，抗氧化性和低碳钢差 不多，在高温长期工作下，组织易于石墨化，但是其具有优良的加工工艺性能和价 格低廉等优点，在锅炉制造中获得了广泛的应用。铬钼钢则克服了钼钢的石墨化倾 向，组织稳定性很好，钢的热强性较高，但是这类钢抗氧化性能较弱。而多元合金 化的发展，使得耐热钢的热强性大大增加，使用温度大大提高，如1 2 c r l m o v 钢使 用温度可达5 6 0 - 5 8 0o c 【2 。 铁索体耐热钢的铬含量高于1 2 ，在室温下具有体心立方晶体结构的单相铁素 体组织。由于其不含镍，所含的其它少量合余元素是硅、钛、铜、铌等，因此价格 河北科技人学硕十学仲论文 低廉。而且，由于铁素体耐热钢的铬含量高于1 2 ，因此具有优良的耐大气腐蚀、 应力腐蚀性能，热导率高，线胀系数小。铁素体钢的缺点是热强性较低，淬透性小， 受抗氧化温度的影响，通常用于5 8 0 以下环境罩。按照主要合会元素铬的含量，铁 素体耐热钢分为三类，即含铬量为1 1 1 4 的耐热钢，如0 c r l 3 、0 c r l 3 a 1 钢：含 铬量为1 7 左右的耐热钢，如1 c r l 7 、1 c r l 8 s i 2 钢；含铬量为2 5 3 0 的耐热钢， 如1 c r 2 5 s i 2 、c r 2 8 m o 钢等。 奥氏体耐热钢以镍、铬、锰等奥氏体形成元素为强化元素，同时由于奥氏体具 有更加紧密排列的晶体结构，增加了内部原子扩散的难度，因此具有热强性高，抗 蚀性好、具有较高的抗氧化温度和较好的组织稳定性等优点，但热导率低，线胀系 数大，抗热疲劳能力低，且价格昂贵。奥氏体耐热钢通常用于6 5 0 左右的高温环境 下，典型钢种有1 c r l 8 n i 9 t i ，1 c r 2 3 n i l 3 ，1 c r 2 5 n i 2 0 s i 2 ，2 c r 2 0 m n 9 n i 2 s i 2 n ， 4 c r l 4 n i l 4 w 2 m o 等。 马氏体耐热钢含铬量一般为7 - 1 3 ，在室温下组织为马氏体。通过热处理来 获得优良的室温和高温力学性能，采取的热处理手段一般是淬火加高温回火，在 6 5 0 以下有较高的高温强度、抗氧化性和耐水汽腐蚀的能力，但这类钢有较大的淬 硬倾向，焊接性也较差，代表钢种有1 c r l 3 、2 c r l 3 、1 c r l i m o v 、i c r l 2 w m o v 、4 c r 9 s i 2 钢等3 1 。 1 1 2火力发电设备对耐热钢的性能要求 锅炉和高温承压部件如锅炉四管( 过热器、再热器、省煤器、水冷壁) 、主蒸汽管 道、导汽管等工作温度一般在4 0 0 。c 一7 0 0 之间。在高温蒸汽和其他腐蚀性气体的作 用下，锅炉管道部件必然会发生氧化和腐蚀，造成钢的热强性降低；同时，长期在 高温和压力的环境下服役，材料将会发生蠕变。随着微观组织的变化和损伤的积累， 会发生持久断裂。因此，火力发电设备对于耐热钢有着很高的要求，可具体归纳为 以下几点i l ) 具有优异的、综合性的高温力学性能，即具有优良的抗蠕变性能、足够的高 温持久强度、良好的高温疲劳性能和适当的高温塑性等，以保证在服役期间内安全 工作，具备应有的使用寿命。 2 ) 具有优良的抗高温氧化性能和耐腐蚀性。也就是说，在高温工作环境中，能 耐高温氧化和高温硫化，或耐混合气氛中的高温腐蚀等性能，以达到设计要求的使 用寿命，保证不因高温腐蚀而遭到破坏1 4 】。 3 ) 在高温环境中具有良好的组织稳定性。 4 ) 具有良好的加工工艺性能。锅炉管道用钢在生产加工过程中，需要经过多道 工序，如锻造、轧制、穿管、冷拔、热处理等，因此要求耐热钢具有良好的冶炼工 2 第1 章绪论 艺性、冷热加工工艺和可焊性。 1 1 3 耐热钢的高温机械性能 ( 1 ) 蠕变性能蠕变是指材料在恒应力作用下，变形随着时间缓慢增加的现象， 几乎所有固体材料都会在应力作用下产生蠕变。通常用蠕变曲线来描述材料的蠕变 规律。蠕变曲线是材料在一定温度和应力作用下，伸长率随时间变化的曲线，曲线 的斜率称为蠕变速率。按照蠕变速率的变化可将蠕变过程分为三个阶段： 蠕变的第一阶段，即蠕变的减速阶段。在此阶段内，施加应力瞬间产生弹性应 变后，随时间的增加，在蠕变形变速率不断降低的条件下产生连续变形。 蠕变的第二阶段，即恒定蠕变阶段。此时，蠕变变形速率随加载时间的延长而 保持不变。在此阶段内的蠕变速率极小且稳定，故亦称最小蠕变速率或稳态蠕变速 率。 蠕变的第三阶段，即蠕变的加速阶段。随着蠕变过程的进行，蠕变速率显著增 加，当达某一极限时，蠕变速率失控，最后导致系统破坏或断裂【5 】。 不同金属材料在不同条件下得到的蠕变曲线是不同的，同一种金属材料蠕变曲 线的形状也随应力和温度的不同而不同。但一般来说，各种蠕变曲线都保持着上述 三个基本组成部分，只是各阶段持续时间有长有短。 蠕变是一种含有许多过程的现象。特别是在高温下，除了随着变形产生的加工 硬化外，还产生在低温下或在其它变形机理中不太明显的具有高激活能的回复、再 结晶、扩散、相变等过程，所以，蠕变性质比常温下的机械性能对组织变化更为敏 感，蠕变曲线的形状随着材料的组织以及蠕变中的组织变化而大不相同。 ( 2 ) 持久强度材料的持久强度是指在给定温度下和限定的时间内断裂时的强 度，要求给出的只是此时所能承受的最大应力。与蠕变不同，持久强度试验不仅反 映了材料在高温长期应力作用下的断裂应力，而且还能表明断裂时的塑性【6 】。由此可 见，对工程材料而言不仅需要进行蠕变性能试验，还需要进行持久强度试验。因此， 持久强度是评定高温长时间载荷作用下材料力学性能的主要依据，也是进行高温强 度设计的主要参数。 ( 3 ) 热疲劳性能对耐热钢来讲，热疲劳性能也是一项重要指标。材料经多次反 复热应力循环以后导致破坏的过程称为热疲劳。由于工作中设备的零部件所处温度 循环变化使材料内部承受交变的热应力，同时伴随着弹性变形的循环，由此引起塑 性变形逐渐积累损伤，最后导致材料破裂【_ 7 1 。由于热疲劳引起的破坏特征是脆性的， 在断裂点附近仅有少量的或不明显的塑性变形。这一点与机械疲劳引起的断裂类似， 但是热疲劳所引起的损伤过程要比机械疲劳的复杂得多。 3 河北科技人学硕十学何论文 1 2 耐热钢长期服役过程中组织和结构的变化 火电设备用耐热钢都具有一定的高温力学性能、高温抗氧化性、耐腐蚀性和组 织稳定性，但是由于长期在高温和压力的环境下服役，势必会发生一系列与常温下 工作的金属材料完全不同的变化，如发生高温蠕变、持久强度大幅降低、在高温蒸 汽和其他腐蚀性气体的作用下发生氧化和腐蚀等，这些都与钢的组织和结构的变化 有着直接的关系，组织不稳定是造成耐热钢热强性降低和失效的主要原因。耐热钢 在高温下组织的变化情况主要有以下几个方面【8 】：珠光体球化、石墨化、固溶体合金 元素的贫化、碳化物颗粒的聚集和碳化物析出相类型的变化。 1 2 1 珠光体球化 珠光体球化是指珠光体中的片层状渗碳体( 在合金钢中称为合金渗碳体或合金碳 化物) ，在高温下长期运行过程中，逐步改变其形状，由片层状改变为球状碳化物， 球化后的碳化物通过聚集长大，使小球变为大球的过程，整个过程是通过渗碳体的 溶解、碳原子在固溶体中扩散以及固溶体析出渗碳体几个步骤组成的。2 0 号优质碳 素钢、1 2 c r m o 、1 5 c r m o 、1 0 c r m 0 9 1 0 、1 2 c r l m o v 等锅炉管道中常用的材料，在长 期高温运行下，其组织常发生珠光体球化现象。 珠光体球化对耐热钢的性能有很大的不良影响，球化后的耐热钢的抗拉强度显 著降低，持久强度也显著下降，尤其在高温环境下，这种影响更加显著。在实际应 用中，应尽量减缓珠光体球化。 影响珠光体耐热钢球化的主要因素是温度、时间和化学成分，其它影响因素有 耐热钢的晶粒度、残余应力等。 1 ) 温度和时间对珠光体球化起着非常重要的作用。温度愈高，球化的速率越快。 珠光体耐热钢经正火加回火后，其组织为珠光体和铁素体，珠光体组织中渗碳体呈 片状，片状渗碳体的自由能比球状渗碳体自由能高，因此片层状渗碳体在高温作用 下总是要力求变为球状，小的球状渗碳体自行聚集长大成大的球状渗碳体，温度越 高，这种变化就越明显，速率也就越快。同时，球化过程又是一个扩散过程，在温 度一定的条件下，球化时间越长，组织变化越大。 2 ) 钢的化学成分对珠光体球化也有较大的影响。珠光体球化的过程是以扩散为 基础的，碳原子在a 固溶体中的扩散速度决定了球化速度。因此，在珠光体耐热钢 中加入能形成稳定碳化物的合金元素，或者在q 固溶体中能降低原子扩散系数的合 金元素可以阻止或减缓珠光体球化过程。实际应用中，就是通过加入c r 、m o 、v 、 w 、n b 、t i 等元素来抑制珠光体球化过程的。 3 ) 钢的晶粒度、残余应力、渗碳体片的大小等因素也会影响珠光体的球化过程。 晶粒越细小，相应的晶界面积就越多，有利于碳原子在c c 固溶体中的扩散，而细小 4 第1 章绪论 的片状渗碳体能缩短扩散距离，残余应力的存在会加速扩散的进行，促进球化过程【9 】。 1 2 2 石墨化 石墨化是指在高温和压力的长期作用下，钢中的渗碳体( f e 3 c ) 分解为铁和游离碳 ( 石墨) 的过程，石墨化的碳呈游离状态聚集于钢中。般情况下，碳钢和钼含量为 0 5 的钢中容易出现石墨化。 石墨化会使耐热钢的力学性能显著降低，在实际生产中应尽量避免和减缓。因 为石墨的强度和塑性都几乎为零，当游离状态的石墨析出后，就好像在钢中出现了 孔洞和裂缝，造成了钢材内部的应力集中，使强度和塑性显著下降，脆性增加，严 重石墨化会引起管道破裂事故发生。 温度和化学成分是影响石墨化的重要因素。石墨化过程也是一种扩散过程，与 珠光体球化是相互伴随产生的，当锅炉管道超温或者在变化的温度下工作时，会加 速扩散过程进行，加剧石墨化倾向。同时，钢的化学成分对石墨化倾向也有显著影 响，强烈碳化物形成元素c r 、v 、t i 、n b 就能有效阻止石墨化过程，而n i 、s i 、灿 等合金元素会促进石墨化过程进行。因此，防止钢的石墨化倾向最有效的方法j 是 向钢中加入阻止石墨化倾向的合金元素u o l 。 1 2 3 合金元素的贫化及再分配 合金元素的贫化多发生在低合金耐热钢和奥氏体耐热钢中，因为固溶强化是这 些耐热钢的主要强化手段，在高温和压力下长期运行时，由于碳化物或者金属间化 合物的析出而导致固溶体内的合金元素发生贫化，合金元素在固溶体与碳化物之间 重新再分配，即合金元素从固溶体向碳化物转移，使固溶体( 铁素体) 中合金元素贫化 而使钢材产生软化，使钢的强度、蠕变极限和持久强度降低。 在高温长期作用下低合盒耐热钢所发生的软化现象，根本原因就在于固溶体中 的合金元素向碳化物转移和碳化物本身的球化。固溶体中合金元素贫化以钼元素最 为剧烈，当钢中含碳量越高，钢中强碳化形成元素越少时，钢材的软化速度也就越 快。当钢中加入强碳化物形成元素如n b 、v 、t i ，固溶体中的合金元素再分配的扩 散过程就会大为减缓【l 。如果钢中同时加入v 和，钼的扩散就会更趋缓慢，即可 以减缓合金元素从固溶体向碳化物的转移。 1 2 4 碳化物的聚集和长大 根据热力学原理，饱和固溶体本身不是稳定的组织。耐热钢经过热处理后，在 高温和应力长期作用下，就必然会发生饱和固溶体的合金元素析出，生成各种碳化 物的现象，由于碳化物存在大小、合金元素浓度的差别，在高温和应力长期作用下， 又必然会发生碳化物的聚集、长大【1 2 1 。几乎所有的耐热钢的合会碳化物相首先在晶 5 河北科技人学硕十学位论文 界开始析出，这将使晶界性质发生很大变化，同时晶内的碳化物也聚集长大。当碳 化物聚集长大在晶界上呈串链，进而呈网状和在三角晶界聚集时，将严重削弱耐热 钢的晶界强度，促使形成裂纹源。 1 2 5 碳化物析出相类型的变化 在高温和应力长期作用下，由于珠光体中f e 3 c 的分解，以及固溶体内合金元素 向碳化物相过渡和合金元素在固溶体与碳化物中重新分配，碳化物析出相结构类型、 数量和分布形式的变化会发生变化。一般情况下，初始状态主要是m c 、m 3 c 型碳 化物，经过长期高温运行后，碳化物将转变为m 7 c 和m 2 3 c 6 型。m 7 c 3 和m 2 3 c 6 型是 复杂结构的碳化物，它们中合金元素含量的百分比要比m 3 c 高，使合金元素在固溶 体中的浓度相应下降，影响耐热钢的热强性。 1 3 选题背景及研究意义 1 3 1t 9 1 钢简介 t 9 1 钢，即1 0 c r 9 m o l v n b n 钢，是于2 0 世纪8 0 年代由美国燃烧工程公司( c e 公司) 与美国橡树岭国家试验室( o r n l ) 联合开发，在t 9 ( 9 c r l m o ) 钢的基础上添加v 、 n b 、n 等元素而形成的一种新型马氏体型耐热钢。t 9 1 钢具有很高的抗氧化性和抗 高温蒸汽腐蚀性能，有高而稳定的高温持久强度、抗蠕变性能及持久塑性。用这种 钢轧制的钢管可用于制造壁温小于6 5 0 。c 的高压锅炉再热器、过热器和壁温小于或等 于6 0 0 c 的锅炉集箱、蒸汽导管等【1 3 1 5 】。从1 9 8 4 年起，美、法等国家就广泛应用t 9 1 钢取代奥氏体钢t p 3 0 4 h 来制造压力容器、核反应堆和锅炉产品，到现在技术应用 已经很成剃1 6 j 。我国于1 9 8 7 年从日本进口了t 9 1 钢管，“八五”期间开始对其进行试 用和消化性的研究，目前已经在t 9 1 钢的国产化研究和应用中取得了很大的进展。 1 9 9 5 年该钢正式以“1 0 c r 9 m o l n ”牌号列入g b 5 3 1 0 1 9 9 5 高压锅炉钢管国家 标准中【1 7 - r 9 | 。 1 3 2t 9 1 钢国内外研究现状 对于t 9 1 钢目前的研究，国外科研工作者进行的较早，对其沉淀物，硬度检测， 拉伸性能、应变断裂等进行了系统的分析。 由于t 9 1 钢在我国电力行业应用时间不长，国内关于t 9 1 钢老化组织的研究还 不是很多，科研工作主要都集中在t 9 1 钢的生产工艺和热处理工艺、组织和力学性 能、抗氧化性能、焊接性能和运行过程中高温水蒸气氧化对t 9 1 钢的影响上。有一 些科研工作者对t 9 1 钢长期运行过程中微观组织的老化进行了研究，对微观组织变 化作了一部分分析。西安热工研究院有限公司的史志刚等对运行7 5 万h 的锅炉高温 过热器t 9 1 钢管的力学性z 闩匕, t 5 和微观组织变化进行了试验研究。结果表明：与原始管 6 第1 章绪论 相比，运行管的屈服强度明显降低；光学显微镜下原始管与运行管的微观金相组织 无明显差异，但在透射电镜观察下，明显可见微观组织中亚晶粒粗化，位错密度降 低，m 2 3 c 6 碳化物粗化和l a v e s 相析出并粗化【z u j 。宝鸡第二发电有限公司的董红年通 过对某发电厂高温过热器管1 9 7 3 年和2 0 0 5 年两次爆管原因对比分析，结合现场情 况及大量试验分析，发现高温硫腐蚀、复合盐类腐蚀和结构引起的热偏差是高温过 热器管在某种特殊情况下损坏的主要原因，同时指出最大限度的减少煤中硫元素的 结焦和结渣可以延长高温过热器管的寿命【2 i 】。 1 3 3本课题研究的科学意义和应用前景 t 9 1 钢凭借其很好的抗氧化性、抗高温蒸汽腐蚀性能，高而稳定的高温持久强度、 抗蠕变性能及持久塑性等优良的综合性能，越来越多的应用于实际生产中。但由于 t 9 1 钢工作环境的特殊性，其在长期的运行过程中，势必逐渐发生老化，如果老化达 到一定程度而并未被发觉，就有可能会造成爆管等严重的后果，不仅会带来严重的 经济损失，而且可能会造成人员的伤亡，带来不好的社会影响。 对于1 5 c r m o 、1 2c r l m o 、1 2c r m 0 9 1 0 等较低参数机组所常用的耐热钢，我国 已经有了一些实用的盒属技术监督方法，可以有效地保证机组的安全运行。现行的 标准有火电厂用2 0 号钢珠光体球化评级标准、火电厂用1 5 c r m o 钢珠光体球化 评级标准碳钢石墨化检验及评级标准等 2 2 2 4 】。根据这些标准可以通过对长期 运行后的管材金相检验、力学性能试验等来了解其性能的变化情况，从而有效地对 这些耐热钢进行金属监督。 。 然而目前国内对t 9 1 钢的监督和寿命预测还未形成标准，因而t 9 1 钢在安全运 行方面还存在着很大的隐患。正因为如此，系统地研究t 9 1 钢的老化组织，摸清t 9 1 钢老化过程中的一般规律，进而对t 9 1 钢的工作状态进行监测和控制，对于实际生 产有很大的现实意义。本课题研究的意义在于利用试验的方法对t 9 1 钢的老化组织 进行系统的研究，为评估t 9 1 钢的寿命提供理论依据。 本课题研究属于对材料性能监督的基础研究，在实际应用中具有很大的经济价 值，同时在学术研究上也有一定的参考价值，可为相关的科学研究提供一定的帮助， 而且为将来t 9 1 钢的金属监督工作提供依据。 1 4 本课题的研究内容和预期目标 1 4 1 研究内容 1 ) t 9 1 钢的合金化原理及强化机理的探究； 2 ) t 9 1 钢老化组织的试验研究： 对t 9 1 钢进行老化试验( 为缩短试验时间，需要提高试验温度) 。 7 河北科技人学硕十学位论文 对t 9 1 钢试样进行力学性能检测( 包括硬度检测和拉伸试验) 、物理性能检测 ( 主要是电阻率检测) 、化学性能检测( 包括耐蚀性检测、抗氧化性检测和电极电位检 测) 、金相组织检测( 包括对老化组织的观测和断口分析) 和碳化物检测和分析( 包括碳 化物类型的分析和尺寸的测定) 。 3 ) t 9 1 钢老化组织分析： 对试样进行金相组织分析 从老化组织中的碳化物分布及数量变化入手，分析经过老化后t 9 1 钢组织的 变化与力学性能、物理性能、化学性能等之间的关系。 4 ) 根掘高温老化试验组织变化情况对t 9 1 钢进行寿命评估。 综合分析与评估t 9 1 钢的使用失效情况，筛选出可以用来预测t 9 1 钢寿命的 指标。 对各指标进行综合分析，找到一种或几种预测t 9 1 钢寿命的方法，并进行比 较，最终得出一种比较简便且行之有效的预测t 9 1 钢寿命的方法，从而实现对t 9 1 钢的监督。 1 4 2 本课题的预期目标 根据t 9 1 钢的强化理论，对t 9 1 钢长期运行后的组织的变化与力学性能、物理 性能和化学性能的变化进行较系统的研究，以金相组织的变化为基础，以碳化物类 型和尺寸的变化为切入点，综合各种性能的变化与组织变化的关系，从中筛选出适 合用来预测t 9 1 钢寿命的指标并最终得出一种比较简便并且有效的预测t 9 1 钢寿命 的方法，从而对t 9 1 钢的寿命评估提供依据。 8 第2 章试验方案 第2 章试验方案 t 9 1 钢具有很好的抗氧化性、抗高温蒸汽腐蚀性能，高而稳定的高温持久强度、 抗蠕变性能及持久塑性等优良的综合性能，在实际生产中得到了越来越广泛的应用。 但是，由于其工作环境的特殊性，使其在长期的运行过程中，势必逐渐发生老化， 当老化达到一定程度时，就有可能会造成爆管等严重的后果，给实际生产带来隐患。 为了系统地研究t 9 1 钢在老化过程中的显微组织变化、碳化物粗化和性能变化 规律，本课题模拟t 9 1 钢工作的高温环境，对其进行高温老化试验，并对其进行金 相组织的观测及力学、物理化学性能的检测。具体试验内容及研究思路如图2 1 所示。 图2 - 1本课题研究思路 f i g 2 - 1s t u d y i n ga n dr e s e a r c h i n gp a t ho f t h es u b j c c tm a t t e r 9 河北科技人学硕十学位论文 2 1 高温老化试验 2 1 1 试验材料 本课题研究采用的试验材料为进口t 9 1 耐热钢管，热处理规范为1 0 4 0 1 0 6 0 正火，7 7 0 7 9 0 * c 高温回火，规格为3 0 0m m x 2 4 0 m m 。所用t 9 1 钢管化学成分 检测结果如表2 1 所示。表2 2 是t 9 1 钢的标准化学成分。从表中可以看出，本课题 所用试验材料符合a s m e s a 2 1 3 标准和g b 5 3 1 0 1 9 9 5 国标。 表2 - 1t 9 1 钢的化学成分 t a b 2 - ic h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t 9 1 化学j 亡素 cspm ns ic rm o v n bn 含量( w t 1 0 0 9 o 0 0 50 0 i o 4 l 0 3 0 8 5 5 o 9 0 o 1 8 0 0 8 l 表2 2t 9 1 钢的标准化学成分，叭腻 t a b 2 - 2s t a n d a r dc h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t 9 1 w t 标准cspm ns ic rm o v n bn o 0 8 曼 _ 3 2 6 t 9 1 钢初始组织和老化组织各个试样的抗拉强度、屈服强度和其他力学性能和物 理、化学性能的试验数据分析在后面的章节进行详细论述。 2 3 2 高温老化组织硬度测试 分别检测t 9 1 钢初始组织和高温老化组织的宏观硬度和显微硬度，宏观硬度的 测试采用h b 3 0 0 0 型却氏硬度计，基体显微组织的硬度测试采用7 l 型显微硬度计。 1 2 第2 章试验方案 测试结果如表2 - 6 所示。 表2 - 6 硬度测试结果 t a b 2 6t h er e s u l to fh a r d r l e s st e s t 老化温度老化时问1 1基体址微组织h v布氏硬度h b 初始组织 l8 1 9 l2 2 9 1 0 01 5 7 1 51 9 2 2 1 01 5 2 4 61 8 6 7 8 0 1 2 3 l o1 3 6 6 41 7 9 6 5 51 2 9 4 l1 6 4 9 0 01 2 6 9 01 5 9 1 3 61 6 2 1 l1 8 9 2 7 5 51 5 8 4 51 8 6 7 6 0 t 2 4 1 61 5 0 1 71 8 4 5 8 6 51 3 7 7 81 8 2 8 7 51 3 3 7 7 1 7 4 2 4 物理性能的检测 对于t 9 1 钢的物理性能的检测主要是检测其初始组织和老化后组织的电阻率变 化。电阻率的测定采用双电桥法，试验参照g b t 3 5 1 1 9 9 5 “电阻系数的测量”所示 的方法和步骤进行测量，所用材料为原始试样和在7 8 0 c 温度下分别经过1 0 0 h 、2 1 0 h 、 3 1 0 h 、6 5 5 h 、9 0 0 h 老化后的试样。 2 4 1 试验原理 试验采用双电桥法测量被测材料的电阻，试验原理图电路如图2 3 所剥2 9 1 ，其 中，兄和风分别为标准电阻与待测电阻。测量时，首先将开关s 接通，调整好工作 电流，然后调整r ，、飓、飓和风，使桥路中f 矛l ：lc 点的电位相等，这时检流计指零， 电桥处于平衡状态，此时，由电势平衡可得： 疋= ru l r l 一，2 r 3 ) u l r 2 - 1 2 r 4 ) ( 2 1 ) 在设计双电桥时，使r t = r ，并使尺2 和风可同步调整，保持r 2 = r 4 。通过调整 飓和风即可实现桥路的平衡。此时 r ，= r ，怛i r 2 ) ( 2 2 ) 式中风为一定值，只要从仪器上读出尺，与飑的数值，即可算出最。双电桥法 的优点是在测量小电阻时有较高的精度。 1 3 河北科技人学硕十学何论文 图2 3 双电桥法测量电阻电路图 f i g 2 3 c i r c u i td i a g r a mo fd o u b l e - b r i d g em e t h o dt om e a s u r ee l e c t r i cr e s i s t a n c e 2 4 2 具体试验方法 试验方法可以参照试验参照g b t 3 5 1 1 9 9 5 “电阻系数的测量”【3 0 1 ，具体测量方 法如下： ： 1 ) 首先在老化前后的t g l 钢管上切下长度为2 3 2 m m 的条状试样，横截面为三 角形。 2 ) 先在砂轮机上预磨试样，然后在细砂纸上打磨，直到试样表面没有肉眼可见 的氧化皮。 3 ) 用游标卡尺沿试样的长度方向取三个点测量三角形截面的底和高。 4 ) 把电桥箱接上外接电源，电源为六节干电池。 5 ) 将检流计指针调到零位。 6 ) 将待测电阻上的四端接点与双臂电桥上相应接线端用导线连接。选择适当倍 率调节滑线盘使电桥平衡，此时记录下所示的电阻值被测电阻r 。就等于倍率示数 k ( 本次试验取o 1 ) 乘以滑线盘读数。 7 ) 重复步骤6 ) ，共测三次，电阻值取平均值。 8 ) 根据电阻率公式计算 p = r s l( 2 3 ) 式中p 电阻率，q m r 电阻，q s 横截面积，m 2 三有效长度，m 2 4 3 试验结果 试验测定的是原始试样和在7 8 0 温度下分别经过l o o h 、2 1 0 h 、3 1 0 h 、6 5 5 h 、 9 0 0 h 老化后试样的电阻率。经过计算后，将各个试样的电阻率记录下来，如表2 7 1 4 所示。 表2 7电阻率测量结果 t a b 2 - 7t h er e s u l to fe l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yt e s t f u 阻牢p = r s l 试样 t u 阻尉1 0 4 q )5 l ，均值( 1 0 。砸m ) ( 1 0 硷- m ) 5 8 0 05 4 2 3 初始组织 5 6 6 55 2 9 75 3 3 5 试样 5 6 5 l5 2 8 4 5 6 5 l 5 2 8 4 7 8 0 老化1 0 0 小时 5 6 7 5 5 3 0 65 2 7 0 试样 5 5 8 25 2 1 9 1 3 60 5 1 l 7 8 0 老化2 1 0 小时 2 7 5 50 5 6 25 2 6 3 试样 4 1 60 6 1 3 5 7 6 l5 3 8 7 7 8 0 老化3 1 0 小时 5 4 9 05 1 3 3 5 2 6 5 试样 5 6 4 25 2 7 5 5 6 4 55 2 7 8 7 8 0 老化6 5 5 小时 5 6 6 25 2 9 45 3 0 l 试样 5 7 0 05 3 3 0 5 7 5 65 3 8 2 7 8 0 老化9 0 0 小时 5 7 8 55 4 0 95 3 6 9 试样 5 6 8 65 3 1 6 2 5 化学性能的检测 2 5 1电极电位的测量 电极电位试验主要测定t 9 1 钢初始组织和老化后组织电极电位的变化，并画出 极化曲线，以便比较老化前后耐蚀性的变化。本试验采用甘汞电极作为参比电极， 铂片为辅助电极，0 5 m o l l 的氯化钾溶液作为导电溶液。 2 5 1 1 试验原理 将金属浸于该金属盐类的溶液中时，金属形成离子进入溶液，并且溶液中的金 属离子析出，沉淀于金属表面上，其反应如下： m e 肿+ 刀p 一哼m e ( 2 4 ) 1 5 河北科技人学硕十学传论文 当反应达到平衡时，在金属与溶液的表面上就会建立平衡电位一电极电位，目 前尚不能测得电极电位的绝对值，通常选定氢电极作为相对标准，并规定它为零， 将其它电极与之比较就是通常所说的电极电位【3 。 由于氢电极制作复杂，易损坏，电极电位达到平衡时所需用的时间较长；所以 通常采用制作简单、电位稳定的甘汞电极作为参比电极，其电极反应为： a g c l 2 + 2 e j + 2 c l 一( 2 - 5 ) 电极电位测量试验所采用的电极为2 3 2 型甘汞电极，电极盐桥为饱和的氯化钟 溶液，导电溶液为0 5 m o l l 的氯化钾溶液，所用的测量仪器为p s 2 6 8 a 型电化学测 量仪，所用试样在t 9 1 钢初始组织和老化后组织的试样上截取。 2 5 1 2 试验步骤 1 ) 试验采用片状试样，用细砂纸打磨光滑。 2 ) 配制0 5 m o l l 的氯化钟溶液，每测一次溶液就更换一次。 3 ) 把试样放入长3 0 c m 左右的p v c 管中，用环氧树脂封好，使得在溶液中曝露 出的试样面积不超过铂片面积的三分之二。 4 ) 按照要求连接好导线，注意不要使研究电极、辅助电极和参比电极之间相碰 短路。 5 ) 接通电源，按下“恒电位 键，在电脑上打丌p s 2 6 8 a 型电化学测量系统， 自动画出极化曲线。 2 5 2 抗氧化试验 按g b t 1 3 3 0 3 1 9 9 1 “钢的抗氧化性能测定方法”测定材料抗氧化性能的变化。 采用1 7 m m x l 5 m m x 2 5 m m 的板状试样，加热温度为7 5 0 ，总加热时间为1 0 0 小时， 每隔2 0 小时取出称重一次。 2 5 2 1 试验原理与目的 钢铁材料在使用过程中，会逐渐和空气中的0 2 、h 2 0 和c 0 2 等氧化性气体发生 作用，而使表面氧化，并在表面生成氧化皮，使某些机械性能如弯曲疲劳强度等变 差。根据环境温度的不同，常见的氧化反应有所不同，在环境温度低于5 7 0 。c 时，会 发生如下反应【3 2 】： 3 f e + 2 0 2 专f e 3 0 4( 2 6 ) 1 1 f e