（环境工程专业论文）脆化30cr2mov汽轮机转子钢化学腐蚀行为的研究.pdf

华北电力大学硕士论文摘要 摘要 本文对当前汽轮机转子钢热脆性非破坏性检测方法的原理及其特点进行了分 析，提 出了采用化学腐蚀法无损检测转子钢热脆性 的方案 。利 用实验室冶炼 的 30crzmov 转子钢材料，通过进行力学试验、金相分析试验和化学腐蚀试验，根据得 到的试验数据建立 了精度较高的预测转子钢热脆性的模型 。在不同侵蚀 条件下对 3 0crzm ov 汽轮机转子钢进行侵蚀，最终找到了一 种既能够最大限 度的侵蚀 3 o c rzmov 汽轮机转子钢晶 界又不腐蚀到晶粒的蚀刻工艺。采用多元线性回归法建立了材料韧脆 转变温度 ( f att so ) 的预测模型， 拟合误差和预测误差均在在士7 以内。 该项研究的 成果可应用于所有以 c r 一 m 。 一 v 钢制造的汽轮机部件的热脆化检测、 安全性评估和寿命 预测等， 为汽轮机的运行、 检修和寿命管理以及机组报废决策提供定量依据， 提高设 备的检修质量、寿命管理和机组报废决策的科学水平。 关 键词: 热脆性， 汽轮机转子， 3 o c rz m o v ， 化学腐蚀，晶 界 abs tract t h ep ri n c i p l eandc h a r a c t e r o f t h enonde s t r u c t i v ete stme t hodforst e am turbi ne r o tor ste e l 、 v a s r e v i e 、 ， e d . akln do f n o n d e s t ruc t i v et e stme t h o db ase do nc h e mi c ai e t c h t e c hn1 q u e w a s p ro p o s e dt h e t e sto f m e c h anic alpro p e rt i e s ， m e t a l l o g r aphy ana l y s i s and c h e mi c al e t c hw as c a r r i e do u to nl ab一 c h a r g e d3 0 c r 2 mo v r o t o rst e e l s a n dt h e na p r e d i c t i n gmo d el for d e t e c t i ng nonde s t ru c t i v e l yt he fr a c t u r ea p p e ar anc et ran s i t i o n t e m p e r at u r e( f a i t ， 0 )o fthestee l sw as c o n st ruc t e d . u n d e r d l ffer entcon d l ti on to e 枕 h 3 0 c r z mo v， the e s s 盯 fi n d t h e m axi 幻 以 u 。 e t c h to 3 0 c r2mo v， a n d atthe s am e t i me not t o th e c ry s t a l . the m o del s fo r pr e di ct e d te m p e r e m b ri tt l e m e nto f r o t o r s te e l s w e reo bt ai n e d b y mu l t i p l e l i n e arre gr e s s i o n . the r e s u l t s howed t h att b e pr e d i ctio n e rr 0 r o f the m o d e l s o b t a 1 n edb y m ul t i p l e l i n e arr e g re s s i on and g e n et i c p r o g r a m m i ngw aswi而n th e s c atte r o f 士 7 . 。t b e 比 s u l t coul d beus e d ast heb as esinthe m an a g e m e niworko f tu r b ine， in cl u d in g 。 v e r h a u l ， ll fe 一 伪r e a ” l and aband o n. h u a n g x i ng l o n g ( s c h o o l o f e nvi r o n m e n ta i s c i e n c e and e n g i n e e r i n g ) d i re c t e db yp ro f.z h angs h e ng h an k 叮w o r d s : t e m p e r e m b r l tt l e m e nt ， st e am turb in e ro t o r 3 0 c r2 m o v，che m i c ale t c h a mbound aj 丁 二 生 二d口 尸刁明 本人郑重声明:所呈交的学位论文 脆化 30c r z mo v汽轮机转子钢化学腐蚀行为 的研究 ，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中 已 经注明引用的内 容外， 本学位论文的研究成果不 包含任何他人享有著作权的内容。 对 本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名:日 期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电 力大学有关保留、 使用学位论文的规定，即: 学校有权保管、并向 有关部门送交学位论文的原件与复印 件; 学校 可以 采用影印 、缩印 或其它 复制手 段复 制并 保 存学位论文; 学校可允许学位论文 被查阅或借阅: 学校可以学 术交 流为目 的， 复制赠送 和交 换学 位论文; 同意学校 可以用不同 方式在不同 媒体 上发表、 传播学位论文的全部或部分内 容。 必 密的学 位论文 在解密后 遵守 此规定 ) 作者签名: 日期 : 导师签名: 日期: 华 北 电 力 大 兰 硕 月丝生一一一一一一一一一一 第一章绪论 1 . 1 研究背景及意义 随着国民经济的快速发展， 我国的电力工业进入了一个日新月异的时期， 我国发电 量、 装机容量都己 上升到世界第二位。到2 0 05年底，我国电力装机容量达到5 . 0 8 亿 千瓦，而新中国成立时这个数字仅为185 万千瓦。目前，中国发电机组构成中火电 机组占有绝对主导地位，约占7 4 .2 %，其次是水电机组，约占2 4 %，核电占到 1 .4 %。随着电力工业的发展，一方面，各大电网容量快速递增，相继建设安装了一大 批高效率、高参数、大容量的发电机组; 另一方面， 随着电力体制改革的不断深入以 及电力行业对机组运行安全性与经济性要求的不断提高， 发电企业机组检修的形式也正 在发生着深刻的变化， 正在由故障检修和定期检修向 状态检修进行过渡。 状态检修的目 的就是在保证机组运行安全性的基础上提高机组的运行经济性，保障国家安全以及国 民经济发展。 随着经济的发展，用电量的昼夜及季节的峰谷差值加大，电网必须通过调峰来 满足用户的需要，也就是说各大电网的峰谷差会越来越大，面临着高峰负荷出力不 足和低谷时出力有余而又低调困难的问题。在这种条件下，只依靠中小机组进行调 峰已经满足不了要求，而大容量火电机组参与调峰运行已势在必行。据了解，当前 用户向汽轮机制造厂订购 2 00mw 和 300 mw 机组时都提出了不同程度的调峰技术 要求。 大容量火电 机组参与调峰运行，由于启动频繁和大幅度负荷变动，机组部件 要经常承受剧烈的温度变化和交变应力，为了保证调峰机组安全可靠的运行和取得 较大的经济效益，必须加强机组运行寿命的评估和管理。 与此同时，机组的老龄化问题越来越严重，按现在一般的设计原则，机组的运 行寿命一般为25一 30年，服役期超过20年的机组称之为老龄化机组111 。 我国 六十 年代及七十年代初先后投入运行的机组也相继进入老龄化阶段，预计今后老龄化机 组所占的比例会越来越大，机组老龄化的问题越来越突出。这些机组经过长期的运 行，材料性能下降，事故率增高。如何保证老龄化机组的安全经济运行，如何增加 机组的服役期，延长其使用寿命，具有重大的现实意义和经济价值。 高温金属设备或部件在长期高温运行的条件下， 会发生老化现象，材料的机械 性能发生很大的变化。这些主要是由于碳化物的粗大化、微量杂质元素向晶界的偏 析以及金属间化合物的析出等造成的材料软化和脆化等，使材料的性能下降， 造成 材料的劣化。因此，为了保证设备的安全经济运行，进行有效的安全评价和寿命管 理，必须对这些材料劣化程度给出定量的评价。 华北电力大学硕士论文 图1 一1 示出了为防止发生脆性断裂， 按照断裂力学的方法进行热力设备大型部 件安全性评价的基本流程f2 。 由图1 一1 中可以看出， 为了进行设备的安全性评价， 必须进行材料的机械性能 定量评价、材料内部缺陷的定量评价和应力应变定量分析。这里，设备的安全性评 价实质上是材料的缺陷评价，设备安全运行的必要条件就是其缺陷评价合格。 运行必条件 材料特 制造 继续 秽让蜘引祝脆让 缺陷评价 陷分布一 非破坏性缺陷检测 超声波检侧、 磁粉检侧、 祸流 检洲、人 e等 数值解 应力 地展、启动停机过程形成热 应力、 压力、自 重等 图1 一1 大型设备安全性评价流 电站金属的高温损伤形式主要有蠕变、 疲劳和脆化卜 71 。 为了对设备进行安全性 评价，必须定量评价这些金属的高温损伤。但是，对于在役设备，直接从设备上取 样进行这些定量评价是很困难的，必须进行非破坏性的定量评价。 为此，自2 0 世纪80年代后期以来，主要工业国家对材料劣化、损伤的非破坏 性定量评价方法进行了积极的基础研究和技术开发。如日 本， 除日 本政府的科技厅 组织进行了广泛深入的研究外， 以各个电力公司为主的各有关企业也都进行了深入 细致的研究和技术开发。 在中国，国家电力公司在2 0 01一 2 0 0 5 一 2 015 年科技发展规划 中把 “ 提供对高参数、大容量火电机组关键部件及材料的安全性评估与寿命损耗的 综合技术，提高机组运行安全可靠性”作为当前的研究目 标，把 “ 机组关键部件及 材料的安全性评估与寿命损耗研究”作为高参数、大容量火电机组关键技术的研究 内容，采取了包括加强设备寿命管理、推行状态检修等在内的许多措施，以在确保 设备运行安全的同时，尽力降低设备的老化程度，延长设备的使用寿命。 汽轮机的转子是汽轮机的主要部件，转子的寿命基本上代表了机组的寿命。转 华北电力大学硕士论文 子材料长期在 3 50以上的高温下运行时会发生塑性、韧性降低现象，即热脆化现 象。这种现象是由于在长期高温及高应力下运行，钢中的磷 ( p) 、锡 ( s n) 和锑 ( s b )等微量杂质在晶界偏析，降低了晶界表面能和脆断应力，促使脆性断裂沿晶 界发生16 ，8 。随 钢中镍 ( n i )、 铬 ( c r )、锰 ( m n )和硅 ( 5 1 ) 等含量增加， 热脆 性的倾向也增加。 汽轮机材料(crmo v钢) 的热脆化是仅次于高温蠕变、疲劳的第三 大高温损伤形式。一旦材料发生脆化，材料对脆性破坏的抵抗力降低，材料的韧脆 转变温度(f a t t so)升高，如不能及时检测出材料韧脆转变温度的升高并在冷启动时 适当延长暖机时间，易造成部件发生脆性断裂，导致事故发生17，9 。而且，脆化了 的材料的 裂纹发生寿命缩短， 裂纹扩展速度加快， 使材料的实际使用寿命缩短10川。 对于低压转子，为防止其发生热脆化，其运行温度被限制在 350 以下，其热效率 也因此受到限制。另一方面，汽轮机材料的热脆化程度，也是衡量汽轮机材料的寿 命消耗的一项重要指标，是汽轮机材料的安全性和寿命消耗评估的一项重要内容、 是 机组判废的指标之一16 。然而， 在我国目 前的设备寿命管理和设备的状态检测中 没有对高温部件的热脆化状态进行检测和管理的内容。因此，急需研究和开发汽轮 机材料热脆性的定量检测方法。 电站高温金属材料的热脆化检测主要是检测材料的韧脆转变温度。主要的非破 坏性检测法有化学腐蚀法11 2 一 13、 俄歇电 子分光法、电 化学法tl 4 一 191、电 磁法、 超声波 法201 和微小试样机械试验法。 其中， 微小试样机械试验法是从部件上挖取微小试样， 直接测定其韧脆转变温度。俄歇电子分光法利用热脆化 c r mo v钢的晶界磷浓度与 材料的韧脆转变温度的相关关系， 从部件上挖取一微小试样， 直接测定试样晶界处的 磷的浓度，进而求出材料的韧脆转变温度。这两种方法的精度很高，但是需要从汽 轮机部件上挖取微小试样，在实际应用中受到了很大的限制。电磁法和超声波法的 主要问题是检测结果的精度低、误差太大。实际上，能用于实际检测的只有化学腐 蚀法和电化学法.电化学法灵敏、有效，但受测定环境温度的影响很大，在测定时 需严格控制试样 ( 转子)的温度，在使用中很不方便。化学腐蚀法受测定环境温度 的影响较小，但精度稍差。 1 .2 国内外的研究现状 目 前，许多工业国家的电力公司对运行时间超过 10 万小时的汽轮机高温部件的热 脆化状态开始定期进行检测。 我国尚 未开始进行此项检测. 自20世纪60年代开始， 美国的西屋电 力公司、 电 力研究院 ( epri) 等就对汽轮机 转子的 热脆化进行了系统的 研究， 基本弄清了 材料热脆化的 机理。 70年代以 来， 主要电 力先进国家， 如美国、日 本和西德，都对此进行了 广泛和深入的基础研究和技术开发， 得出了 化学元素对热脆化的影响规律和预测模型。 同时， 这一时期各国开始了 对汽轮机 华北电力大学硕士论文 寿命管理和诊断技术的开发研究。80年代初至90年代中，各国开展了汽轮机部件热脆 化的非破坏性检测方法的开发，如日 本， 除日本政府的科技厅组织进行了 广泛深入的 研究外， 以 各个电力公司为主的各有关企业也都进行了 深入细致的研究和技术开发， 提 出了各种检测技术，并开始应用于汽轮机的运行维护和寿命管理中。目 前的研究主要集 中于提高精度和拓宽使用范围的研究。 通过长期、 系统的开发研究，目前各主要工业国家都开发出了自己的汽轮机部件热 脆化的非破坏性检测技术。 美国的电力研究院( epri) 是最早提出 汽轮机部件热脆化的非破坏性检测的思想与 方法的单位之一，并对化学腐蚀法和超声波检测法进行了开发研究。同时， 它还开发出 了属于破坏性试验法的微小试样机械试验法， 并提出将材料热脆化程度 ( 韧脆转变温度 及其升高值) 作为机组报废的一个指标。目 前主要致力于提高超声波法的精度并将这一 方法应用于核电站材料的脆化检测中。 在日 本，由于日 本的电力法规规定，可以 根据寿命消耗评估和剩余寿命预测结果， 延长 机组的 检修期间 2l ， 因 此， 许多电 力 公 司 都对寿命消耗评 估和剩余寿命 预测技术 进 行了开发 研究， 其中包括汽轮机部件热脆化的检测技术的开发研究。 日 本的关西电力公司主要对电化学法和超声波法进行了开发研究。目 前， 它们已经 开始在汽轮机检修和寿命消耗评估中应用这些方法。此外，经过在4 所发电厂试行后， 关西电力公司从2002 年开始全面实施的新检修制度 ( r b m设备维护检修制度， 该制度 的实施可以 使检修费用减少 5 0 %) ，其中，材料热脆化程度的检测是其中的主要内容之 日 本的 三菱重工、日 立、 东芝、 石川岛 播磨重工业公司都进行了开发研究， 开发出 了 化学腐 蚀法 网 ( 三菱重 工、日 立、 东芝) 、 电 化学 法 ( 东芝、 石川岛 播磨重 工业公司) 等技术。 这些技术也已经应用于其汽轮机检修和寿命消耗评估中工作中。目 前， 这些公 司主要致力于各检测法精度的提高和应用范围的拓宽 ( 应用于燃气轮机和核电站材 料) 。此外，日本的东北大学承担文部省 ( 教育部)项目 并受其它公司的委托对电化 学 法 进行了 基础理 论和技 术开发 研究 z1 。 化学腐蚀法是利用 crm o v钢的转变温度与晶界处磷的浓度有关，以及晶界处 磷的浓度又与材料在特定腐蚀液中的晶间腐蚀程度有关的规律，用特定的腐蚀液对 部件表面进行轻微的腐蚀，使晶界处磷浓度高的部分被选择溶解，发生晶间腐蚀， 用复膜的方法提取部件表面腐蚀状态，在电子显微镜下观察复膜，确定晶界处产生 的腐蚀沟槽的宽度，用这些参数来衡量晶界处杂质元素的偏析程度，进而估算材料 的转变温度。它的主要不足是由于在对晶界处腐蚀沟槽的宽度测量时，在选取测量 位置时一般凭经验选取，这样存在较大的误差，另外，该法没有考虑晶界总长度对 韧脆转变温度的影响. 华北电力大学硕士论文 化学法是通过测定转子钢在特定腐蚀液中产生的腐蚀沟槽的特征参数来估算 材料的韧脆转变温度，而电化学法是通过测定转子钢在特定腐蚀液中的电化学极化 参数来估算材料的韧脆转变温度。日本的e c p( e l e c tr o c hem i c a l p o l ariz atio n ，电化 学极化)装置为由工作电极、参比电极和电 解液制成的一个探头。试验时，只要将 探头紧压在现场某一部件的被测部位上，探头连接微机控制的恒电位仪，维持电解 液在一恒定温度， 即可测出 材料在该部位的极化特性， 以此来判断材料的脆化程度。 但是， 由于电化学极化参数受温度的影响很大， 无论是美国或者日 本的e c p 装置在 进行现场测试时都需要把电解液的温度 ( 实际上是试样，即转子的温度)维持在一 个恒定的值， 比如30， 来克服温度对于电流的影响， 而实际中， 随着季节的不同， 现场转子温度往往差别很大，因此在实际使用中造成了一定困难。 在我国，对汽轮机部件热脆化的研究工作开展的较晚。加 世纪 80 年代，由于 在我国向国外订购的转子钢的验收标准中对材料的韧脆转变温度 ( f a t t ， 。 )有明确 的验收指标，从而引起了我国有关部门的重视，一些汽轮机制造企业开始对这一现 象进行了研究。通过研究认识到了韧脆转变温度 ( f 户 ll ，毛0) 是一个受转子锻件、化 学成分、微量元素、冶炼工艺、锻造工艺和热处理工艺等多种因素影响，可用于分 析、判断转子锻件工艺水平和质量水平的参数，并在转子锻件技术条件中增加了对 韧脆转变温度( f a i t ， 0) 的要求，之后，制定了 相应的标准. 这一时期的研究基本上 都是汽轮机制造企业从转子锻件的制造、 加工等方面进行的 研究23.28。 此时，电力 企业尚未开展这一方面的研究。 80年代末期， 随着我国电力工业的发展和设备寿命 管理工作的开展，同时我国也发生了汽轮机螺栓、转子的热脆化，国内的大学和电 力科研单位，如华北电力大学的安江英等就此对国外的工作进行了综述、介绍和理 论分析价 7，2， 一30)， 但未见到进行试验研究或技术开发、 应用方面的报道。 1 . 3 本课题研究方案 本项研究主要针对国产汽轮机高中压转子钢3 0 crz m o v钢的热脆化进行研究. 3 o c rz m o v 钢是我国 20世纪50年代从前苏联引进的大型锻件用钢131 1 ，我国有的文献 称为27c rzmo v 钢。该钢具有较高的热强性和组织稳定性，是我国大量用于2 00mw 以下的汽轮机高中压转子材料。 13 . 1 总体研究方案 由于转子钢热脆性的产生主要是由 于杂质元素磷在晶界析出，而一些电 解质溶 液对磷有选择溶解性，当将脆化了的转子钢浸入这种电解质溶液中时，晶界上偏析 的磷就会溶解在电解质溶液中，发生晶间腐蚀。晶界上偏析的磷越多，晶间腐蚀就 越严重。 因此， 通过定量评价晶间腐蚀的程度， 可以间接评价晶界上磷的偏析程度. _华 韭 曳 力 大 兰 巫 兰丝生一一一一一一一一一一一一一 评价晶界腐蚀程度的方法可分为化学腐蚀法和电化学法.电化学方法评价钢的 晶间腐蚀敏感性有动电位阳极极化法和动电位再活化法。通过测量腐蚀后晶界处产 生的腐蚀沟槽的形状参数，如腐蚀沟槽的宽度、深度等可以定量评价晶间腐蚀的程 度，这就是化学腐蚀法也叫蚀刻法。 与电化学法相比，用腐蚀沟槽的宽度或深度评价晶间腐蚀程度进而评价材料脆 化程度的优点是这种方法对测试温度不太敏感，在实际应用中比较方便。因此，本 项研究选用化学腐蚀法法。 1 . 3 . 2 主要研究内容 本项研究采用的总体研究方案为: 首先，制备具有不同韧脆转变温度的转子钢试样并测定其化学成分和韧脆转变 温度等机械性能参数，测定其腐蚀后的晶界宽度;然后，利用数学方法建立反映晶 界宽度与韧脆转变温度之间关系的预测模型，利用这一预测模型，通过测量材料的 晶界宽度， 就可以预测新材料的韧脆转变温度。 由于晶界宽度的测量是非破坏性的， 因此，这一技术可以实现在役汽轮机转子韧脆转变温度的非破坏性检测。 1 ， 3 . 21 试样的制备 为了得到不同脆化程度汽轮机转子钢试样，首先在碳素钢中加入不同浓度的磷 以及各种合金元素进行冶炼，得到的材料经锻造、锻后热处理、粗加工、性能热处 理等工艺制成模拟的汽轮机转子钢。然后对得到的模拟转子钢按照o e步冷热处理 工艺进行步冷热处理。在热处理过程中，磷、锡等回火脆化元素向晶界偏析，从而 提高材料的韧脆转变温度f a t t ” 。 步冷热处理后得到的材料可以 达到与实际条件下 长时间运行的汽轮机转子相同的时效热脆化效果。 测定步冷前后材料的硬度、 强度、 化学成分。并对步冷前后的各试样进行不同温度的冲击实验，根据测得的断面纤维 率曲线求出 f a t t 50的值，从而初步确定磷等回火脆化元素对材料的脆性转变温度 f a t t 犯 值的影响趋势。 1 . 322 化学腐蚀与模型的建立 对于步冷前 后的 不同 材料， 用硝酸酒精溶 液 侵蚀后， 拍摄金相照片， 采用p hoto s h 叩 软件对试样进行定量分析，测量，完毕后， 进行因素水平分析，分析各因素对蚀刻 效果的影响，找出各影响因素的影响大小关系，从而找到蚀刻的最佳条件。在此条 件下对各试样重新腐蚀、测量用废弃的汽轮机部件或模拟热脆化材料，测定其电化 学极化参数，利用上述关系式计算出材料的韧脆转变温度，并与实测的韧脆转变温 度进行比较，检验方法的精度。 _ _ - 一 剿 暄 为 星 鲤 生 鱼 至 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 第二章转子钢热脆化机理及其化学腐蚀原理 2 . 1钢的热脆化性研究概况 2 . 1 . 1 钢热脆性的定义 某些碳钢，低合金钢及高合金钢 ( 特别是高铬钢) ，在 300 一8 00的工作温下 长期加热以后，室温的冲击韧性往往发生明显降低，有时伴随其它机械性能指标如 强度、硬度及塑性的变化，物理性能 ( 比重、磁性)和化学性能 ( 抗氧化性、耐腐 蚀性) 也可能 发生改变。这种现象称为热脆性或时效脆性132 。 钢经长期加热后出现的脆性，常是动力机械、石油及化工高压气体设备和电站 设备发生破坏事故的重要原因.构成脆性的原因固然很多，但本质上都是钢的组织 不稳定性的反映。对于低合金钢，一般认为是由于溶质原子在a 一f e固溶体晶界上 发生偏析，因而降低了晶粒之间的结合强度，导致沿晶界发生脆性破坏;对于高合 金钢，主要是合金元素在固溶体内发生重新分配，或沿晶界发生析出脆性的第二相 ( 碳化物、氮化物及金属间化合物)而引起的。 2 . 1 . 2 钢热脆性的评定方法 钥的热脆化程度的大小通常是以转变温度表示的。所谓转变温度即钢从韧性状 态过渡到脆性状态的温度， 一 它是通过一组成分及状态相同的试样，在不同温度下进 行冲击试验，获得冲击值 ( ak)或断面纤维率一温度 ( t )曲线后确定的。关于钢的 转变温度的评定，通常采用的有以下几种: ( 1) 取钢在较高温度下的最高冲击值ak. 大 和低温下的最低冲击值处。的算术 平均值的相应温度t m为转变温度。 ( 2) 当舰. 小 值很低时， 也有采用1 /2 ( 或0. 4) ak. 大 的相应温度为转变温度。 ( 3 )利用冲击试样的断口特征评定。一般是以冲击试样的断口出现 50%脆性 断面 ( 即晶粒状断面) 的相应温度为转变温度 ( f 川 叮， 0): 更为严格者是以冲击试样 开始出现脆性断面的温度作为转变温度。 ( 4) 以冲击值降低至某一规定值的温度为转变温度。 上述四种方法中，有时采用一种方法，有时采用几种方法同时进行。如在选材 设计时，多以第 ( 4) 种方法所得的转变温度为取舍标准;在研究新材料做系统比 较试验时常以(l/2) ak. ， 与试样断口出现50%脆性断面的温度评定转变温度. 图2 一1 韧脆转变温度曲线示意图表示了 ( 3 ) ( 4) 两种方法确定的转变温度. 华北电力大学硕士论文 .性断面书 冲击 砚收功 欲.势翔奋记门 脚肋犯 即翻 ，。，.y俘祥目弓沦 一100一门一即一刃一即0为 峨狱山度. t 图2 一1 韧脆转变温度曲线示意图 除了用冲击试验的方法评定钢的转变温度以外，也有采用静弯曲试验获得载荷 ( p) 一饶度 ( f) 曲线的方法，以及落锤试验，模拟容器的低温爆破试验等方法确 定钢的转变温度。冲击试验因为比较简便而在实际生产中应用较多，静弯曲试验则 更易发现大尺寸钢样的脆性倾向。所以，有时为了更确切地评定钢的转变温度，有 在做冲击试验的同时还补充进行静弯曲试验的。 2 . 1 . 3化学成分对钢韧脆转变温度的影响 钢的转变温度因化学成分不同而异，钥中常存杂质元素及常用合金元素对钢的 转变温度的影响如下: 碳 碳使钢的转变温度提高。 普通碳钢每增加0. 01%的碳， 约使转变温度提高2 一4 。合金钢在其它条件相同时，转变温度也因含碳量增加而提高，如含2 .4 %铬 的钢， 当含碳量由0 .0 03%增加至0 .2 1 %时， 转变温度由一 10提高至+85 。 许多合 金元素对钢的转变温度的影响， 也与含碳量有关，即随着钢中含碳量的增加，合金 元素对钢的转变温度提高的作用加剧。 氧 氧强烈地提高铁的转变温度，由于工业用钢均是以铁为基的合金，氧对铁 的转变温度的影响必然影响钢的转变温度。因此，降低钢的含氧量有益于降低转变 华北电力大学硕士论文 温度。 磷 磷对钢的转变温度影响很大.碳钢中增加 0. 01%的磷可使转变温度提高 7 一13: 含 1 5 %c r 的低碳铬钢， 磷量由0 . 0 01%增加至0 0 48%时， 转变温度由一 1 巧 提高至0 。 硫 低碳钢的含硫量在0. 02一0. 04%变化， 转变温度无明显差异。 对于低合金钢 硫含量对转变温度有影响. 硅 工业用钢多因含硅而使脆性倾向增大，如含硅在3. 6 %的铬硅钢在常温下的 脆性就很大，说明硅是使钢的转变温度提高的元素。 锰 锰对钢的转变温度的影响因含量不同而异。低碳钢含锰在 1 . 5 %以下时可使 转变温度降低。所以降碳增锰可以减少钢中的碳化物，细化晶粒，有利于低碳钢获 得较高的冲击韧性，并且不致于因碳低而降低钢的强度。含锰高时使钢的转变温度 提高。在更高的含锰量下如奥氏体铬锰和铬锰氮不锈钢，由于集体组织的改变而可 获得较高的冲击韧性。这是因为锰使奥氏体组织的稳定性增加的结果。 铬 含碳量 ( 0. 03%) 很低时加0. 5 一1 %的铬可使钢的转变温度降低， 这是因为 铬最初加入时引起的软化作用的结果。当含铬量在 1 一8 %时， 钢的硬度虽然接近同 一水平，但转变温度会升高。在合金钢中，当含碳量 ( 0. 25%)低时，铬量由1 一3 %变化对转变温度的影响不大;含碳量 ( 0. 4 %)高的铬钢，转变温度因铬量增加而 提高。 镍 镍被认为是降低钢的转变温度作用最大的元素。不仅，镍钢具有低的转变 温度，含镍及其它元素的合金钢如铬镍铜钢、铬镍钨钢等的转变温度也很低。 钥和钨 钥和钨降低钢的转变温度，特别是当钢中含有提高转变温度的合金元 素时，加铂和钨有利于获得高的冲击韧性. 钦和钒 钦和钒提高钢的转变温度，但作用程度较弱。这两种元素在结构钢中 多与铝同时使用，因此，在钥的影响下它们对提高转变温度的作用常被抑制。 综上所述可知，碳、氮、磷、硅等元素增大钢的转变温度，镍、锰等元素有利 于钢获得较高的冲击韧性值。 2 . 1 . 4组织及热处理状态对钢韧脆转变温度的影响 成分、组织和热处理状态的影响是相互联系的。热脆性的现象是很多金属材料 共有的现象，韧性一脆性转变在很大程度上决定于金属的晶格类型。一般认为具有 面心立方晶格的金属是不具有热脆性的。体心立方晶格的金属的热脆性倾向最大。 由于工业用钢中奥氏体钢毕竟是少数，绝大多数钢都是以a 一fe 为基的，因此，大 华北电力大学硕士论文 多数工业用钢具有热脆性倾向。 同样是以a 一fc 为基的钢，在化学成分相同的前提下，因热处理状态不同所得 的组织不一样，转变温度也可能有很大差异。增加钢的含碳量使组织中的碳化物增 多，而碳化物则被认为是形成脆性裂纹的核心.粗晶粒的钢的转变温度较细晶粒的 为高，在转变温度下的断裂应力也低。 钢的化学成分相同时， 退火状态的转变温度较调质状态为高。 成分为0. 31%c 、 1 . 05%c r 、 0. 34%m。 的中碳铬钥钢，退火状态的冲击值与调质状态的冲击值与试验 温度的关系，表明 8 50退火转态的转变温度最高，而淬火后 550 回火者又高于 6 5 0 回火者。另外，淬火温度越高，钢的转变温度也越高。在同样淬火条件下， 钢的回火温度越高，冲击韧性值也越愈高，转变温度越低。在同样回火温度下，回 火缓冷使钢的转变温度提高，快冷则降低转变温度. 在马氏 体一 铁素体不锈钢和热强钢如 0 cr1 3 、i c r 1 3 、 c r 1 7niz 及改型 12%c r 热强钢中，转变温度尚与组织中的6 铁素体含量及其晶粒大小有关。8 铁素体数量多 及晶粒度大使转变温度提高。用 crlzwz mo v钢生产的大型锻件，虽然6 铁素体量 差别不大，但由于各部分锻压比不同使8 铁素体晶粒度不同，转变温度也不同。当8 铁素体晶粒由5 级增大致 1 级时，转变温度由一10提高至+50。 2. 2 3 0 c rz mo v转子钢及其热脆化的研究现状 3 o crz m o v钢具有较高的热强性和组织稳定性。70 年代至 80年代初，是我国 大量用于 z oomw 以下的汽轮机高中压转子材料，有长期的生产和运行经验。但由 于铝含量较低，直径较大的转子芯部难以淬透;而铬含量偏高，使钢的冶炼和锻造 工艺困难，容易开裂。因此，它作为转子用钢应受限制，其使用温度通常在 5 40 以下。该钢主要用于制造汽轮机高中压转子锻件、阀座、阀碟套筒和其它高温下使 用的中小锻件及需氮化处理的阀杆等，也可做紧固件使用。 3 0 c rzmo v钢作为汽轮机高中压转子材料，其出厂时韧脆转变温度 ( f a i ，t 犯 ) 约为120 ， 在冷启动时，由于转子材料温度低于韧脆转变温度 ( f 川 叮5 。 ) ， 易发生 脆性断裂。因此，3 0 crz mo v转子是预防脆性损伤的主要对象.另外，在长期高温 运行过程中， 30c rz m o v会发生热脆化现象， 使转子f a t t 5 0 进一步升高， 降低了材 料的机械性能，为安全运行带来事故隐患。这种现象是由于高中压转子长期在高温 及高应力下运行， 运行的环境温度为5 25一5 60， 此温度恰是转子材料产生热脆 化的温度。 经俄歇能谱分析表明， 长期运行后转子钢中晶粒内部的磷 ( p ) 、 锡 ( s n) 和锑 ( s b ) 等杂质元素向晶界发生偏析，降低了晶界表面能和抗脆断应力，促使脆 性断裂沿晶界发生，使转子的转变温度升高。有资料统计，对于带基本负荷机组， 华北电力大学硕士论文 每年运行小时以 7 0 00h计，则 10 年、2 0年机组累积运行时数分别为 7 0 0 00h和 140000h ，国产汽轮机转子高温部分韧脆转变温度 ( f 人 t t ， 。 )的增加分别为 50和 1 00， 国产30c rz m o v转子出厂时验收标准f a t t 犯为120 ， 则10年、 加年后的 韧脆转变温度约为17 0 和2 2 0 ll 。 另外， 转子发生热脆性的倾向还随钢中镍 ( n i ) 、 铬 ( c r)、 锰 ( m n) 和硅 ( 5 1) 等的含量增加而增强.据文献介绍，转子钢脆化倾向与有害残余元素的含量有良 好 的 对应关系125 ， 其联结的纽带是j 参数， 其表达式为j = ( 51%+ m n %) (p%+s n % 十 s b %)x l 04 ， j 参数与转子钢经时 效处理后的 f a t ts 。 有很好的线性相关性。 因此，可以通过 j 参数来控制评定热脆性，这样不但免除时效脆化试验，同时连脆 化后的f a t t ” 试验也一并免除了， 仅仅在以往的化学成分分析后，稍加计算即可。 当然，这需要大量试验，准确确定时效后f a t t ”与j 参数的对应关系作为基础。 不过， 根据化学成分确定的f a t 几。 只代表材料的脆性倾向， 并不能说明经几千小 时服役就会使 f a t t s 。 升高这么多。而且，影响转子安全性的是其实际的 f 川叮5 。 ， 因此， 开发出可以 针对转子材料f a i t ， 0 的无损检测方法对于在役机组的安全运行意 义重大。 2 . 3化学腐蚀法检测3 o c rzm ov钢热脆化性能的原理 由于转子钢长期在高温条件下运行，p 等杂质元素向晶界的偏析，使晶界表面 能降低，进而使钢产生热脆性。同时，由于杂质元素在晶界的偏析，易使材料在特 定腐蚀介质中发生明显的晶间腐蚀。晶间腐蚀是指，材料在介质中，沿晶界或其邻 近区域产生强烈腐蚀，而晶粒的腐蚀性相对较小的局部腐蚀。化学腐蚀法就是利用 这一性质来测定晶间腐蚀的程度。 因此， 也就可以 利用化学腐蚀方法检测30c rz m o v 转子钢的热脆化性能。 高温下使用的转子材料，其材质变化基本上可分为以碳化物颗粒聚集长大为代 表的软化和以夹杂物在晶界偏折为代表的回火脆化两大类， ， ， 。 这两种因素严重影响 设备的使用寿命。软化会降低材料的低周疲劳性能和蠕变性能;脆化会降低材料的 冲击韧性值和断裂韧性值。因此正确进行寿命预测的关键即在于如何把握和评价材 料的软化和脆化。无损诊断正是基于测定部件材料的软化和脆化来预测剩余寿命的 方法。 无损诊断方法，除硬度法和极化法外， 还有噪声法、晶界腐蚀法、光谱分析法、电 阻 法、 涡流法、 超声波法等等。 其中， 化学腐蚀和电 化学腐蚀是最早也是通用的 侵蚀方 法。 但随着材料科学的发展， 不仅需要鉴别许多复杂合金中的各种组织， 而且还要确立 组织与性能之间的关系。 显微组织的鉴别除了取决于显微镜物镜的分辨率外， 还要受显 微镜组织各相间 衬度的影响。 常规的 显示方法往往不能 满足要求， 近年来发展了一些特 华北电力大学硕士论文 殊的显示方法.到目 前为止，显示组织的方法可分为三大类: “ 光学法” 、 “ 电化学 ( 化 学)法”及 “ 物理法”等。 化学腐蚀法又称化学侵蚀法，金相试样表面的化学侵蚀可以是化学溶解作用， 也可以是电化学溶解作用。 这取决于试样材料的组成相的性质及它们的相对量。 351 对于纯金属及单质合金， 化学侵蚀纯粹是一个化学溶解过程， 试样抛光面表层的原子被 溶入侵蚀剂中。在溶解过程中，由于晶粒与晶粒之间、晶粒与晶界之间溶解速度不同， 组织就被显示出来。 对于两相或多相合金的侵蚀是局部微电 池的原理。 侵蚀就是控制不 同电 位的各相之间电 解腐蚀的过程，即电化学反应过程。由于各相之间化学性质、 物理 性质的不同， 具有不同的自由能， 在电解质溶液中具有不同的电极电位， 形成了许多微 电 池。 电位较负的区域是微电池的阳极， 溶解速度快: 电位较正的区域是微电 池的阴极， 阴极不溶解。经化学侵蚀后，阳极溶解处呈现凹陷，在显微镜下观察时，光线在凹陷处 被散射，光线不能进入或较少进入物镜，故显示出黑色。在不受侵蚀处光线散射较少， 大部分反射进入物镜，而呈现亮色。这样就能显示出晶粒或各相组织。 2 . 31 化学侵蚀剂的种类 化学侵蚀的是否成功取决于所选用的侵蚀剂、 侵蚀方法和侵蚀时间等因素是否恰当 3l 。 化学 侵 蚀 剂中 的 化 学 试剂 主要 有 134: ( 1)酸 类; ( 2) 碱类; (3) 盐 类; ( 4) 溶 剂: 酒精、水、甘油等。 大多数的酸类如硫酸、盐酸、 氛氟酸等起侵蚀溶解作用; 硝酸、 苦味酸、 铬酸等起 氧化剂的作用; 碱类、盐类等起化学着色作用;酒精、水、甘油等起溶剂和稀释作用。 常用的化学侵蚀剂中酸用的最多，如硝酸、苦味酸，可侵蚀普通的碳钢、低合 金钢。主要是通过氧化作用，使试样的不同的相受到不同程度的氧化溶解而反映出 衬度，达到显示微观组织的目的。这两种酸在溶解铁素体时又有不同的特性:硝酸 溶解铁素体的速度受晶体位向的影响，而苦味酸就很少受影响。故用苦味酸侵蚀试 样后能较明显地把铁素体与其它各组成相区别开来，能区分各组织的细节。 用化学侵蚀剂侵蚀试样还有个 “ 度”的要求。要适度正好能把各相的衬度 拉开，试样的显微组织才能较充分的显示出来。就象拍照一样，曝光不足得不到应 有信息;曝光过度，底片过黑，影象细节无法分辨，信息量大为降低。 酒精和水是侵蚀剂中常用的溶剂、稀释剂。侵蚀剂在水中的分解强烈，故以水 为溶剂的侵蚀剂常用于宏观深侵蚀，而微观侵蚀常用以酒精为溶剂的侵蚀剂，因为 要求侵蚀浅些，要能控制侵蚀过程. 2 . 3 . 2侵蚀剂和侵蚀方法的选择 一般情况下， 试验者只要了 解试样的 化学成分及其热处理工艺， 就可能推断出 试样 华北电力大学硕士论文 的显微组织。 因此可根据钢种类型来正确选用化学侵蚀剂， 选择的原则是试剂配制方便、 侵蚀能缓和均匀进行以及侵蚀后得到清晰的显微组织。 此外， 试验者还可以根据自 己的 实践经验适当选择侵蚀剂。 化学 侵 蚀的 方 法 有两 种， 即 侵 蚀 法 和擦 蚀 法 135. 侵蚀 法 就是 把 抛 光 好的 试 样 用 竹夹 子夹住侵入溶液中， 试样抛光面朝上， 轻轻地晃动试样， 使溶液相对于试样流动，阻止 侵蚀反应物沉积于试样表面， 细心观察其表面， 待试样面由原来的白 亮色逐渐变为灰色 时立即取出，先用清水冲洗， 迅速阻止侵蚀剂残液继续腐蚀试样， 并用酒精淋洗， 最后 用吹风机吹干。 此时即可将试样置于光学金相显微镜下观察或保存在干燥器内。 擦蚀法 是将试样抛光面朝上， 平放在侵蚀台上， 用沾有侵蚀剂的棉花在试样表面轻轻擦蚀， 直 至获得恰当的侵蚀程度为止， 冲洗和吹干的程序与以上侵蚀法相同。 众所周知，各类材料由于化学成分、 工艺、 组织不同，所以 它们的化学稳定性亦不 同。 试验者必须根据材料的特性和显微组织来选择侵蚀剂。 下面介绍常见钢种应选用的 侵蚀剂和侵蚀方法。 2 . 3 . 2 . 1碳钢和低合金钢 碳钢和低合金钢一般选用硝酸酒精溶液作为侵蚀剂。 其溶液的成分配比: 硝酸1 3 %， 酒精起稀释作用， 配制方便无危险性，是目 前最广泛采用的试剂之一。若显示珠光 体、索氏体、屈氏体以及球化组织时，硝酸酒精溶液中加一些苦味酸，苦味酸起到缓和 作用， 显示出的组织层次更清晰。 尤其对显示层状珠光体组织效果更明显。 低碳钢的侵蚀最好与抛光交替进行。 否则因低碳钢硬度低， 制样抛光过程中易产生 变形干扰层，侵蚀后观察在铁素体的晶粒内呈现凹凸不平，俗称 “ 桔子皮” ，此时应反 复交替进行抛光一侵蚀2 3 次，即 可消除变形层。 2 ， 3 . 2 . 2不锈钢和耐热钢 不锈钢和耐热钢化学稳定性高， 具有较高的 抗腐蚀性能。因此， 显示该钢的显微组 织，必须采用较合适的强烈试剂，才能显示其显微组织。常用的侵蚀剂见表 1 一 7 : 表 1 一 7不锈钢和耐热钢常用侵蚀剂 试剂编号试 剂 成 分使 用 要 点用途 l 硝酸1 0 m l 盐酸3 0 m l 浸蚀或擦蚀数秒至十几秒， 为 使侵蚀缓和可加2 0ml 甘油 奥氏 体钢、含c r ， ni高 的耐热钢，铁素体不锈 钢 2 盐酸10m l 硝酸3 m l 酒精1 0 0 m l 浸蚀 1 8 一8 型奥氏体钢中的 8相， 8相呈白色有明 显的相界 3 铁氛化钾 1 鲍 氢氧化钾 1 0 9 水1 0 0 ml 煮沸2 4 分钟，在通风厨中 进行， 不可混入酸类， 以免h c n ( 剧毒物)逸出 含铬不锈钢和铬镍不锈 钢中的铁素体呈玫瑰色 至浅褐色，奥氏体呈亮 色 华北电力大学硕士论文 续表 1 一 7不锈钢和耐热钢常用侵蚀剂 试剂编号试 剂 成 分使 用 要 点用途 4 高锰酸钾4 9 氢氧化钠4 9 水1 0 0 o l 煮沸侵蚀 1 3 分钟 奥氏体不锈钢中 8相 呈彩虹色，铁素体呈揭 色 5 酒精3 0 m l 硝酸s m l 盐酸1 5 m l 重铬酸钾3 9 苦味酸3 9 三氯化铁2 一3 9 擦蚀数秒奥氏体钢，镍基合金 6 苦味酸19 酒精1 0 0 口 l 盐酸5 9 浸蚀马氏体不锈钢 2 . 3 . 23表面化学热处理的钢侧 低碳钢或低碳合金钢的渗碳和碳氮共渗以及中碳钢和中碳合金钢的渗硼处理是 提高结构件表面性能的工艺之一。因此，表面化学处理后的显微组织分析也会经常 遇到，为了正确鉴别试样的显微组织，就应该合理选择侵蚀剂，掌握侵蚀方法。 1) 渗碳和碳氮共渗以及渗氮试样的侵蚀，渗碳和碳氮共渗以及渗氮试样的侵 蚀较简单，一般选择3 4 %硝酸酒精溶液侵蚀，采用浸蚀法。应该注意，经化学热 处理后的试样表面至心部基体的显微组织差别较大，侵蚀时根据不同组织的受侵蚀 难易程度区别对待。首先以易侵蚀的渗层为基准，然后逐渐加深，直至不易侵蚀的 组织被显示清晰为止。 2) 渗硼试样的侵蚀，侵蚀渗硼试样一般用两种侵蚀剂。一种是普通的 3 一4 % 的硝酸酒精溶液，经该试剂侵蚀后，把渗层和基体组织显示出来。但渗层中的 f eb 和 pe毋两者不能区分。另一种称为