（材料物理与化学专业论文）t92锅炉钢抗高温性能及其微观组织表征.pdf

t 9 2 锅炉钢抗高温性能及其微观组织表征 捅要 最高使用蒸汽温度为6 2 0 的t 9 2 钢是日本在2 0 世纪8 0 年代后期开发的 经过l o 多年的使用 该材料的研究已经相当的成熟 英国贸工部预测 到2 0 2 0 年 火电厂运行的蒸汽温度将达到6 5 0 7 0 0 现在新型的高压锅炉钢管主要是 国外研发的 国内主要以仿制为主 常常是 知其然不知其所以然 导致生产的 高压锅炉管无法满足新型锅炉制造的前沿技术要求 本文所研究的t 9 2 钢样品是9 c r 0 5 m o 1 8 w 为主要合金元素 v 和n b 为微 合金元素的铁素体钢 t 9 2 钢主要应用在火力发电厂锅炉的过热器和再热器管道 由于火电厂运行的过程中这种材料长时间的处于高温 高压和氧气氛的恶劣环境 中 所以材料难免会发生性能的退化和微观组织的变化 用x 射线衍射仪 扫描 电子显微镜 透射电子显微镜以及e d s 能谱分析了t 9 2 钢在时效和蠕变过程中的 显微结构的演变规律 t 9 2 钢是马氏体高c r 合金耐热钢 通过对它进行高温时效热处理和高温持久 实验 阐明该钢在高温 应力和时间影响下的显微结构的变化规律以及其对力学 性能的影响 研究表明t 9 2 钢的基本相组成成分是q f e 相 析出相的形状 数量 和尺寸都发生了明显的变化 析出相的尺寸随着时效时间和蠕变时间的增加而增 加 数量密度随着时效时间和蠕变时间的增加而减少 这些析出相大部分是m c 碳化物 m x 型碳氮化物和l a v e s 相金属间化合物 l a v e s 相f e 2 m o w 的粗化速 度比起m 2 3 c 6 碳化物 m x 型碳氮化物的要大 除了析出相的变化以外 t 9 2 钢 样品在长期蠕变以后的显微组织也发生了明显的改变 也就是说 由于高温和应 力的作用 大量的回火马氏体板条发生了变形和分解 在蠕变的t 9 2 钢样品中也 观察到了减少的位错数量以及析出相和位错之间的相互作用 硬度是衡量材料力 学性能的综合指标 采用测量材料硬度的方法来检验材料的力学性能的变化 从 而客观的验证显微组织结构分析的正确性 关键词 t 9 2 钢 长期时效 蠕变测试 回火马氏体板条 析出相 l i 硕士学位论文 a b s t r a c t t h et 9 2s t e e lo p e r a t e da tas t e a mt e m p e r a t u r eo f6 2 0 ci np o w e rg e n e r a t i n g p l a n t sw a sd e v e l o p e db yj a p a ni n8 0 so f2 0 t hc e n t e r t h er e s e a r c ho nt h i ss t e e l h a sb e c o m em o r ea n dm o r em a t u r e dd u r i n gt h eo f2 0y e a r so fi t sa p p l i c a t i o n a s e x p e c t e d t h eo p e r a t e ds t e a mt e m p e r a t u r ew i l lr e a c h6 5 0 7 0 0 i n2 0 2 0 n o w n e w b o i l e rs t e e l sa r em a i n l ys t u d i e da n dd e v e l o p e di nf o r e i g nc o u n t r i e s t h eb o i l e rs t e e l m a d eb yc h i n ac a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n td u et ot h el a c ko fw e l lu n d e r s t a n d i n g a b o u tr e l a t i o n s h i pa m o n gm i c r o s t r u c t u r e h e a tt r e a t m e n ta n dp r o p e r t y t h et 9 2s t e e ls a m p l eu n d e rt h i si n v e s t i g a t i o ni sah e a t r e s i s t a n tf e r r i t i cs t e e l w i t ha c o m p o s i t i o no f9 c r 一0 5 m o 一1 8 wa d d e db yt h em i c r o a l l o y i n ge l e m e n t sv a n d n b t h et 9 2s t e e li sm a i n l yu s e df o rs u p e r h e a t e ra n dr e h e a t e rp i p e si np o w e rp l a n t s i ti si n e v i t a b l et h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yw o u l dd e g e n e r a t ea n dm i c r o s t r u c t u r e d e g r a d ed u r i n gs e r v i c e i no r d e r t o e x p l a i na n d i l l u s t r a t et h em i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o no fm i c r o s t r u c t u r ea n dt h em e c h e n i c a lp r o p e r t yc h a n g eo fo ft 9 2s t e e l s a m p l e su n d e rh i g ht e m p e r a t u r ea n ds t r e s s h i g ht e m p e r a t u r ea g e i n gt r e a t m e n t sa n d c r e e p r u p t u r es t r e n g t ht e s t sw e r ep e r f o r m e da t ac o n s t a n tt e m p e r a t u r eo f6 5 0 c t h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no ft h et 9 2s t e e ld u r i n ga g e i n ga n dc r e e pt e s tw a s i n v e s t i g a t e du s i n gx r a yd i f f r a c t o m e t r y s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y 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 ya n de d sa n a l y s i s i ti ss h o w nt h a tt h eb a s i cp h a s ec o n s t i t u t i o no ft h et 9 2s t e e li sa f e t h es i z eo f p r e c i p i t a t e si n c r e a s e s w h e r e a st h en u m b e rd e n s i t yo fp r e c i p i t a t e sd e c r e a s ew i t h i n c r e a s i n gt h ea g e i n ga n dc r e e pt i m e p r e c i p i t a t e st h a th a sb e e no b s e r v e di n c l u d e t h em 2 3 c 6c a r b i d e s m xc a r b o n i t r i d e sa n dl a v e sp h a s ep a r t i c l e s f e 2 w m o t h e c o a r s e n i n gr a t eo ff e 2 m o w i sm u c hl a r g e rt h a nt h a to fm 2 3 c 6c a r b i d e sa n dm x c a r b o n i t r i d e s i na d d i t i o nt ot h ep r e c i p i t a t e s t h em i c r o s t r u c t u r em o r p h o l o g y so ft h e s t e e ls a m p l e sa l s od e m o n s t r a t e ss o m ec h a n g e sd u r i n gt h el o n gt e r mc r e e pt e s t 1 a l a r g e a m o u n to fm a r t e n s i t el a t h sw e r ed e f o r m e da n dr e c o v e r e du n d e rh i g h t e m p e r a t u r ea n ds t r e s s 2 t h ed i s l o c a t i o nn u m b e rw a sr e d u c e d t h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nd i s l o c a t i o n sa n dp r e c i p i t a t e sa r ea l s oo b s e r v e di nt h ec r e p tt 9 2s t e e l s a m p l e s h a r d n e s si s ac o m p r e h e n s i v ec r i t e r i o na tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f m a t e r i a l s w ec h a r a c t e r i z e dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yc h a n g eb ym i c r o h a r d n e s s m e a s u r e m e n t s w h i c hv a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so fo u rm i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i sf o r d i f f e r e n ts t e e ls a m p l e s 1 i i 1 9 2 锅炉钢抗高温性能及其微观组织表征 k e yw o r d s t 9 2s t e e l l o n gt e r ma g e i n g c r e e pt e s t t e m p e r e dm a r t e n s i t e l a t h p r e c i p i t a t e s t 9 2 锅炉钢抗高温性能及其微观组织表征 插图索引 图1 1 锅炉铁素体钢的现状及发展趋势 4 图1 2 锅炉奥氏体钢的发展进程 5 图1 3 典型的蠕变曲线 一7 图1 4 纯剪切断裂示意图 8 图1 5 微孔聚集型断裂示意图 一9 图1 6 穿晶断裂和沿晶断裂示意图 1 0 图1 7 扩大y 相区的f e m e 相图 1 3 图1 8 缩小丫 相区的f e m e 相图 13 图2 1 高温持久试样的形状和尺寸 2 1 图3 1 原始态和时效后t 9 2 钢的硬度变化图 2 3 图3 2 原始态和时效后t 9 2 钢的金相组织 2 5 图3 3 原始态和时效后t 9 2 钢中析出相的扫描电镜二次电子图 2 6 图3 4 原始态和时效后t 9 2 钢中析出相的背散射电子显微图 2 7 图3 5 原始态和时效后t 9 2 钢中颗粒尺寸分布图 2 8 图3 6 原始状态样品萃取复型后析出相的背散射电子图像和组成元素的面分 布图 2 9 图3 75 0 0 0 h 高温时效样品萃取复型后析出相的二次电子图像及组成元素的 面分布图 3 0 图3 81 0 0 0 0 h 高温时效样品萃取复型后析出相的二次电子图像及组成元素 的面分布图 3 1 图3 9 原始状态和8 0 0 0 h 高温时效后t 9 2 钢的x r d 物相图 3 2 图3 1 0 原始态及6 5 0 时效后t 9 2 钢中马氏体t e m 形貌图 3 4 图3 1 1 原始状态下板条界棒状m 2 3 c 6 析出相 一 一3 5 图3 1 26 5 0 c 5 0 0 0 h 时效后t 9 2 钢中晶界处颗粒状m 2 3 c 6 析出相 3 6 图3 1 36 5 0 8 0 0 0 h 高温时效后t 9 2 钢中晶界处m 2 3 c 6 碳化物 3 7 图3 1 4 原始状态钢中m x 型碳氮化物 3 8 图3 1 5 原始状态钢中m x 型碳氮化物 3 9 图3 1 6 原始状态钢中m x 型碳氮化物 4 0 图3 1 76 5 0 下 8 0 0 0 h 时效后t 9 2 钢中晶界处l a v e s 析出相 4 1 图3 1 86 5 0 下 1 0 0 0 0 h 时效后t 9 2 钢中晶界处l a v e s 析出相 4 2 图3 1 9 不同时效时间的t 9 2 钢中位错的透射电镜图 4 3 图4 1 高温下应力和断裂时间的关系 4 7 图4 2 原始态和不同断裂时间的t 9 2 钢的硬度变化图 4 7 图4 3 原始态和蠕变断裂样品的金相显微组织图 4 8 v i i i 硕士学位论文 图4 4 原始态和蠕变断裂后t 9 2 钢中析出相的扫描二次电子图 4 9 图4 5 蠕变测试钢样品中弥散析出相背散射电子扫描电镜图 5 0 图4 6t 9 2 钢中颗粒的析出和粗化 5 1 图4 71 4 0 m p a 3 4 4 6 h 断裂样品萃取复型后析出相的二次电子及组成元素的 面分布图 5 2 图4 81 0 0 m p a 4 3 8 3 h 断裂样品萃取复型后析出相的二次电子及组成元素的 面分布图 5 3 图4 9 原始状态和1 4 0 m p a 3 4 4 6 h 断裂后t 9 2 钢的x r d 物相图 5 4 图4 1 0 蠕变断裂后t 9 2 钢中发生变形和回复的回火马氏体板条t e m 图 5 5 图4 1 1 蠕变后t 9 2 钢中析出相和亚晶粒 晶界 相互作用的t e m 图 5 6 图4 1 2 蠕变后t 9 2 钢中析出相和位错相互作用的t e m 图 5 7 图4 1 31 2 0 m p a 1 2 8 3 h 断裂后t 9 2 钢中m 2 3 c 6 碳化物被位错切过的t e m 图 8 图4 1 4 蠕变断裂后样品中位错之间相互作用的t e m 图 5 9 图4 1 51 4 0 m p a 3 4 4 6 h 断裂后t 9 2 钢中晶内缺陷处颗粒状m 2 3 c 6 析出相6 0 图4 1 61 2 0 m p a 1 2 8 3 h 断裂后t 9 2 钢中晶界处颗粒状m 2 3 c 6 析出相 6 0 图4 1 71 2 0 m p a 1 2 8 3 h 断裂后t 9 2 钢中晶界处颗粒状m 2 3 c 6 析出相 6 l 图4 1810 0 m p a 4 3 8 3 h 断裂后t 9 2 钢中晶界处颗粒状m 2 3 c 6 析出相 6 l 图4 1 91 2 0 m p a 1 2 8 3 h 断裂后t 9 2 钢中晶界处云状m 7 c 3 析出相 6 2 图4 2 01 2 0 m p a 1 2 8 3 h 断裂后t 9 2 钢中晶界处块状l a v e s 析出相 6 3 图4 2 ll0 0 m p a 4 3 8 3 h 断裂后t 9 2 钢中晶界处块状l a v e s 析出相 6 3 图4 2 21 2 0 m p a 1 2 8 3 h 断裂后t 9 2 钢中晶内颗粒状m x 型析出相 6 4 图4 2 31 2 0 m p a 1 2 8 3 h 断裂后t 9 2 钢中晶内颗粒状m x 型析出相 6 5 图4 2 41 4 0 m p a 3 4 4 6 h 断裂后t 9 2 钢中晶内颗粒状m 6 x 型析出相 6 6 图4 2 51 2 0 m p a 1 2 8 3 h 断裂后t 9 2 钢中晶内颗粒状m 6 x 型析出相 6 6 图4 2 61 4 0 m p a 3 4 4 6 h 断裂后t 9 2 钢中晶界处 析出相 6 7 图4 2 7 不同蠕变测试条件下t 9 2 钢样品中不同颗粒的尺寸变化 6 8 图5 1 不同状态下t 9 2 钢的x r d 物相图谱 7 2 图5 2 不同状态t 9 2 钢样品中析出相的背散射一扫描电镜图 7 3 图5 3t 9 2 钢样品中的析出相及其粗化 7 4 图5 4 不同状态t 9 2 钢样品中位错数量的对比 7 4 图5 5 同一滑移面上同号韧型位错和异号韧型位错之间的作用 7 6 i x t 9 2 锅炉钢抗高温性能及其微观组织表征 附表索引 表1 1 蒸汽参数与火电厂效率 供电煤耗关系 1 表1 2 耐热材料及用途 6 表1 3 钢中常见碳化物的类型及基本特征 1 5 表2 1t 9 2 合金钢的化学成分 w t 1 7 表2 2t 9 2 钢试样编号及状态 1 7 表2 3 实验所用到的实验设备 1 8 表2 4 实验样品的制备 1 8 表3 1 原始态和长期时效后的室温力学性能 2 4 表3 2 原始态和不同时效样品中析出相的元素含量变化 w t 3 2 表4 1 原始态和不同断裂时间样品中析出相的元素含量变化 w t 一5 4 x 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 超临界锅炉钢的应用和发展 从目前世界火力发电技术水平看 提高火力发电厂效率的主要途径是提高蒸 汽的参数 即提高蒸汽的压力和温度 发展超临界和超超临界火电机组 提高蒸 汽的参数对于提高火力发电厂效率的作用是十分明显的 1 2 1 表1 1 给出了蒸汽参 数与火电厂效率 供电煤耗关系 表1 1 蒸汽参数与火电厂效率 供电煤耗关系 3 l t a b l e1 1r e l a t i o nb e t w e e ns t e a mp a r a m e t e r sa n dt h e r m a lp o w e rp l a n te f f i c i e n c y c o a l c o n s u m p t i o n 从表1 1 中的数据可以看出 随着蒸汽温度和压力的提高 电厂的效率在大 幅度提高 供电煤耗大幅度下降 而提高蒸汽参数遇到的主要技术难题是金属材 料耐高温 高压问题 提高燃煤发电机组的发电效率 这就要求发电机组的材料能长期承受高温 高压的影响而保持良好的性能 在火力发电厂中通常将汽机进口蒸汽参数超过水 的临界状态点的参数 2 2 1 1 5 m p a 3 7 4 1 5 统称为超临界机组 s o 为了提高 火电厂发电效率 降低c 0 2 的排放 世界各国都在研制具有更高温度和压力汽机 进口蒸汽参数的超超临界机组 u s o 然而高温高压下具有长时间使用寿命的材 t 9 2 锅炉钢抗高温性能及其微观组织表征 料的开发成为发展超超临界机组的关键 锅炉和汽轮机部分是燃煤 燃气和核能 发电站所关心的问题 开发更高温度下锅炉钢的关键问题是 提高高温抗氧化性 能和长期蠕变断裂强度1 4 5 j 火电厂锅炉关键承压部件主要指水冷壁 过热器 再热器 联箱及管道等 这些承压部件运行较为恶劣的工况条件下 是设计选用钢材关注的重要部位 以 下分类简要介绍超临界 超超临界锅炉的关键承压部件用钢要求 3 j 1 1 1 水冷壁 要求 水冷壁用钢一般应具有一定的室温和高温强度 良好的抗疲劳 抗烟 气腐蚀 耐磨损性能 并要有好的工艺性能 尤其是焊接性能 所选用的钢材要在焊前不预热 焊后不热处理的条件下 满足焊后热影响区 硬度不大于3 6 0 h v l o 焊缝硬度不大于4 0 0 h v1 0 的有关规定 t r d 2 0 1 以保证使 用的安全性 另外 水冷壁管内介质是汽液两相 管外壁又在炉膛燃烧时煤粉颗 粒运动速度最快的区域 积垢导致的管壁温度升高和燃烧颗粒冲刷都是选用钢材 要考虑的问题 由此可见 水冷壁用钢的开发也是发展s c u s c 锅炉的技术关键 之一 选用钢材 为了满足这种高参数锅炉水冷壁用钢的要求 在s a 2 1 3 t 2 2 钢的 基础上 开发了2 种新钢材t 2 3 h c m 2 s 和t 2 4 7 c r m o v t i b l 0 i o 二者都具有 良好的焊接性 在焊前不预热焊后不热处理的条件下 壁厚 8 m m 焊后焊缝和热 影响区的硬度均低于3 6 0 h v 金属壁温可达6 0 0 是蒸汽温度6 2 0 以下锅炉水 冷壁的最佳用钢 1 1 2 过热器 再热器 要求 过热器 再热器所用钢材在满足持久强度 蠕变强度要求的同时 还 要满足管子外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀性能 管子内壁抗蒸汽氧化性能 并具 有良好的冷热加工工艺性能和焊接性能 过热器 再热器管的金属壁温比蒸汽温 度高出2 5 3 9 我国规定为5 0 选用钢材 在燃煤含硫量很低 烟气腐蚀性很小的条件下 从蠕变强度角度 考虑 s c u s c 锅炉的过热器 再热器 当壁温 6 0 0 时 可选用t 9 1 钢 当 壁温 6 2 0 时 可选用t 9 2 t 1 2 2 e 9 11 钢 当壁温 6 5 0 时 可选用n f l 2 s a v e l 2 钢 采用含硫量高腐蚀性大的燃煤时 当壁温 6 0 0 时 蒸汽温度 5 6 6 过 热器 再热器应选择t p 3 0 4 h t p 3 2 1 h t p 3 1 6 h t p 3 4 7 h 奥氏体热强钢 而 s u p e r 3 0 4 h 和t p 3 4 7 h f g 两种细晶奥氏体热强钢蠕变强度高 抗烟气腐蚀和抗蒸 汽氧化性能更好 在超超临界锅炉过热器 再热器用钢中得到广泛的应用 当壁 温达到7 0 0 时 要考虑锅炉钢的高温抗氧化性能 此时过热器 再热器只能选 2 硕士学位论文 用高铬热强钢n f 7 0 9 s a v e 2 5 和h r 3 c 等 1 1 3 联箱与管道 要求 由于联箱与管道要求钢材应具有足够高的持久强度 蠕变强度 抗疲 劳和抗蒸汽氧化性能 还要具有良好的加工工艺和焊接性能 选用材料 由于铁素体热强钢的热膨胀系数小 导热率高 在较高的启停速 率下 不会造成联箱 管道壁部件严重的热疲劳损坏 所以铁素体热强钢是联箱 管道的首选钢材 随着s c u s c 锅炉蒸汽温度和压力参数的提高 要求使用热强性高的钢材 这样既可以提高联箱和管道运行的安全性 又可以减少因管壁过厚引起热应力的 增加以及给加工工艺带来的困难 所以 s c u s c 锅炉的联箱和管道 当壁温 6 0 0 时 选用p 9 1 钢 当壁温 6 2 0 时 选用p 9 2 p 1 2 2 和e 9 11 钢 当壁温 6 5 0 时 选用n f l 2 和s a v e l 2 钢 就目前世界各国发展情况看 超临界火电厂锅炉用钢的发展可以分为两个方 向 一是铁素体热强钢的发展 另一个是奥氏体热强钢的发展 1 1 4 铁素体钢 铁素体钢的发展可以分为两条主线 一是纵向的主要耐热合金元素c r 成分逐 渐提高 从2 2 5 c r 到1 2 c r 二是横向的通过填加v n b m o w c o 等合金元 素 6 0 0 1 0 5 h 的蠕变断裂强度由3 5 m p a 级向6 0 1 0 0 1 4 0 1 8 0 m p a 级发展 锅炉铁素体热强钢的现状及发展趋势见图1 1 6 9 1 1 5 奥氏体钢 用于过热器和再热器锅炉管道的奥氏体钢 按含c r 量分为4 类 即1 5 c r l8 c r 2 0 一2 5 c r 和高c r 这些钢种正在发展过程中 锅炉奥氏体钢的发展历程见 图1 2 最初添加t i n b 是从抗腐蚀的角度来提高钢的稳定性 然后在保持稳 定的前提下 适当降低t i 和n b 的含量 以提高蠕变强度 而不是提高抗腐蚀性 然后加c u 以富铜相的沉积和热处理改进来提高析出强化 进一步趋势是添加 0 2 n 和一定量的w 以增强固溶体的强度 图1 2 给出了锅炉奥氏体合金钢的 发展历程 8 1 们 1 1 6 新型耐热钢材 t 9 1 t 9 2 t 1 2 2 都是新型火力发电厂用铁素体高压锅炉管材 具有蠕变强度 高 韧性和抗热疲劳性能佳等优点 亚临界机组的主汽和再热汽管道都使用t 2 2 或p 2 2 有人认为t p 2 2 钢当工作温度在5 6 6 时 其许用压力为3 9 m p a 比超临界 压力2 4 2 m p a 大许多 似乎t p 2 2 钢亦能用于2 4 2 m p a 5 6 6 5 6 6 机组作为主汽管 道和再热汽管道 其实不宜 3 t 9 2 锅炉钢抗高温性能及其微观组织表征 第一阶段 第二阶段第三阶段第四阶段 3 5 j 盱a6 0 j 旧a 1 0 0 j 旧a1 4 0 研p a1 8 0 l p a 2 z i 一l o v l2 2 5 c r i m 叫一 哺k 2 s c r 一1 6 w 叫 s 晡et 2 2 f n l c m 2 s b j i l 2 4 c s 啊et 2 3s t b 2 4 j 1 墅 固 m c u 9 m 鲫a 2 7 9 巳 l l 嘲o k i9 c r 一2 m o v l n 协删1 2 饵f 4 9 2 1 3 ln l9 c r l m v d l r n b c r 一1 5 v l m 啊o we 9 1 1 t e m p d o y 卜9 dp t i m iz e d 叫硼et 9 1s t b a 2 8 9 c r 0 5 1 1 0 一1 鲫1 堋b i l l 0 矗r d l d 五 卜一岖品司 k a s m et 9 2s t b 2 9 il l u s 工4 1 0 0 十 0 5 m 疋 1 2 c r 一0 5 m o 一1 8 w v d q 1一 l 0 7t 2 c r w c oi y 高 i 1 蚤 b o m b l 1 2 c r l y 坩 1 2 c r i u w v 二两1 2 c r l 哺 一1 v 1 i i 矶 c u w 1 2 c r 一0 5 阳0 2 冒c l l v h b 0 l f l 2 盯9 l 口f 9 l托m 1 2 矗oh 瑚1 2 a 咄 2 0 c r 厢o y l 2 1 h 2 0 c r b o i t 21 s 璐4 1 2 i b ij l s 研z1 1 2 2 熨嚣4 1 0 j 3 t b 一宵 c l 1 2 c r i f u o y b b 岱a v i q z l 图i i 锅炉铁素体钢的现状及发展趋势1 3 j f i g 1 1c u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n d sf o rb o i l e rf e r r i t i cs t e e l 若选用t p 2 2 作火电厂主蒸汽管道 则意味着超临界机组主蒸汽管道的壁厚 将增加8 0 以上 这对管道的制作安装难度大大增加 运行的热应力增加 柔性 的降低将增加对机组的推力 甚至还有可能引发热疲劳事故 国外公司的超临界 机组的主汽管道采用t 9 1 或t 9 2 2 4 2 m p a 机组的再热汽管道 由于其压力低 仍可用t 2 2 h t 9 1 x 2 0 c r m o w v l 2 1 钢作为高压锅炉蒸汽管道使用的一个缺点是其可焊 接性能不是很理想 为了弥补这种类型的钢焊接性能较差的缺点 因而研发了 h c m l 2 h c m l 2 钢是在h t 9 1 的基础上 通过降低c 元素的含量来达到提高焊 4 硕士学位论文 接性能的目的 并在原有合金成分的基础上新添加了w v n b 微量合金元素形 成的新钢种 属6 铁素体 马氏体钢 h c m l 2 钢的高温强度和抗氧化抗腐蚀性能 都比h t 9 1 高 h c m1 2 适用于2 4 2 m p a 5 6 6 5 6 6 超临界机组的过热器 再热 器高温段 水汽分离器 主蒸汽和再热汽管道 1 1 注 括号表示6 0 0 c 时的1 0 h 蠕变断裂强度 图1 2 锅炉奥氏体钢的发展进程 3 l f i g 1 2d e v e l o p e m e n to fb o i l e ra u s t e n i t i cs t e e l 1 2 超临界锅炉钢的分类 t e m p a l o ya 3 s u s 3 0 9 4 1 9 r b 耐热钢的分类很多 这里列举了其中的两种分法 见表1 2 5 2 9 2 锅炉钢抗高温性能及其微观组织表征 表1 2 耐热材料及用途 1 2 1 t a b l e1 2h e a t r e s i s t a n tm a t e r i a l sa n da p p l i c a t i o n 1 3 金属的高温力学性能 和钢的常温机械性能不同 钢的高温机械性能不仅与加载时间有关 而且还 与温度和组织变化有关 耐热钢是指在高温下工作并具有一定强度和抗氧化性 耐腐蚀能力的钢种 耐热钢常用来制造蒸汽锅炉 蒸汽轮机 燃气涡轮 喷气发动机等构件和零件 这些零 构件一般在4 5 0 以上 甚至高达1 1 0 0 以上工作 并承受静载 疲劳 或冲击负荷的作用 钢件在高温空气 蒸汽或燃气相接触 表面要发生高温氧化 或腐蚀破坏 材料在高温下降低了钢的形变强化作用 并且钢的屈服极限和抗拉 强度也会降低 钢件在低的应力载荷和温度的长时间作用下 将会发生蠕变的现 象最终导致断裂 因此 钢件要在高温下承受各种负荷应力的作用 必须具备足 够的热稳定性和热强性 1 3 1 4 l 因此 研究金属在高温下的力学性能 必须考虑时间 温度和应力的因素 研究温度 应力应变和时间之间的相互关系 从而建立起金属材料在高温力学性 能的指标 讨论金属在高温 高压下随时间的延长其内部微观结构的变化规律 从而应用微观的显微结构的变化对材料的宏观力学性能的变化做出合理的解释 并对提高材料的力学性能的途径提供必要合理的参考依据 1 3 1 金属的高温蠕变 所谓高温蠕变是指在高于o 5 t 熔点的温度及远低于屈服强度的应力下 材料 随加载时间的延长缓慢地产生塑性变形的现象 由于施加应力方式的不同 可分 为高温压缩蠕变 高温拉伸蠕变 高温弯曲蠕变和高温扭转蠕变 高温蠕变比高 温强度能更有效地预示材料在高温下长期使用时的应变趋势和断裂寿命 是材料 的重要力学性能之一 它与材料的材质及结构特征有关 由蠕变变形导致的材料 的断裂 称为蠕变断裂 图1 3 是金属材料典型的蠕变曲线 金属的蠕变可分为三个阶段 第一阶段 减速蠕变阶段 其曲线的特点是蠕 6 硕士学位论文 变变形开始大 逐渐减速 第二阶段 恒速蠕变阶段 速度几乎保持不变 第三 阶段 加速蠕变阶段 逐渐增大 最后产生断裂 当应力较小 或温度较低时 第二阶段较长 第三阶段很短 反之 第二阶段很短 很快断裂 蠕变阶段的第二阶段包括 l 动态回复 软化 硬化与软化达到平衡 蠕变 速率为一常数 2 扩散性蠕变 在高温和应力的作用下 空位 原子的定向扩散 不均匀应力场 从而使材料产生蠕变 3 晶界滑动 在高温和应力的作用下 晶粒发生转动 即晶界滑动 晶粒越小 晶界滑动对蠕变的作用越大 i 爿常数 j o 常数一 乡 6 c 蠢 j 6 1 t1 t2 l一 3 蕾一队e b 僖一胁匦馆 黔国 时间t 图1 3 典型的蠕变曲线i 1 f i g 1 3r e p r e s e n t a t i v ec r e e pc u r v e 1 3 2 持久强度 在规定温度 t 达到规定的持续时间0 而不发生断裂的应力值m 称为持久 强度 通过高温拉伸持久试验测定由于时间长 一般是作l g o l g x 曲线 用外推 法计算持久强度值 飞机发动机和机组的设计寿命一般是数百至数千小时 在锅炉 燃气轮机和 其他机械制造中 机组的设计寿命一般为数万小时以上 燃气轮机不仅对蠕变有 要求 而且也要保证在使用的过程中不断裂 锅炉管道对蠕变要求不严 但必须 保证使用时不破坏 需要用持久强度作为设计的主要依据 持久强度设计的判据 是 工作应力小于或等于其许用应力 而许用应力等于持久极限除以相应的安全 系数 对于设计某些在高温运转过程中不考虑变形量的大小 而只考虑在承受给 定应力下使用寿命的机件来说 金属材料的持久强度是极其重要的性能指标 7 t 9 2 锅炉钢抗高温性能及其微观组织表征 1 3 3 蠕变断裂分类和理论 断裂是金属材料在外力的作用下丧失连续性的过程 它包括裂纹的萌生和裂 纹的扩展两个过程 根据裂纹萌生和裂纹扩展机制的不同 可以将断裂分为以下 几类 1 3 1 切离或纯剪切断裂 在切应力的作用下 纯金属或单晶体金属沿滑移面滑移 当材料受到的变形 量比较大 滑移面之间接触的面积逐渐减少 最终造成沿滑移面分离而断裂 如 图1 4 所示 如果是单系滑移 端口呈锋利的楔形 如果是多系滑移 端口呈刀 刃型或钉尖形 工程材料很少有这种断裂方式 a 单系浯移 b 多系滑 图1 4 纯剪切断裂示意图 l 叫 f i g 1 4t h es c h e m a t i cd r a w i n g o fp u r es h e a rf r a c t u r e 2 微孔聚集型断裂 低碳钢拉伸断裂时的背锥状断口即为这种断裂 杯锥状断口的底部断面在低 放大倍率下是灰色的 呈纤维状 故也称为纤维状断口 其断裂过程是 在外力 的作用下 由于强烈的滑移 在某些夹杂物或第二相质点处形成显微空洞 这些 空洞在切应力的作用下 不断的聚集连接而长大 并同时产生一些新的空洞 并 最终导致整个工件的断裂 3 解理断裂 解理断裂是在正应力下产生的一种穿晶断裂 即断裂沿一定的晶面 即解理面 分离 解理断裂常见于体心立方和密排六方金属和合金 低温 冲击载荷和应力 集中常促使解理断裂的发生 解理断裂是宏观脆性断裂 它的裂纹发展十分迅速 常常造成零件或构件灾难性的总崩溃 8 硕士学位论文 o o 剪切 图1 5 微孔聚集型断裂示意图 1 3 1 f i g 1 5t h ef r a c t u r es c h e m a t i cd r a w i n go fg a t h e r e dm i c r o p o r o u st y p e 按裂纹扩展路径分类 可分为 穿晶断裂 即穿晶断裂时裂纹穿过晶粒内部 扩展 穿晶断裂可以是宏观脆性断裂 也可以是宏观塑性断裂 沿晶断裂 即沿 晶断裂也称晶间断裂 裂纹沿着晶界扩展 当晶界上有夹杂物或沉淀析出物时 金属材料即使在室温下也会发生晶间断裂 沿晶断裂多数属于脆性断裂 但有时 也表现为较好的塑性 图1 6 表示了穿晶断裂和沿晶断裂的示意图 总之 断裂的整个过程包括裂纹的萌生 扩展 断裂三个阶段 a 穿晶断裂撕裂晶界 晶间断裂 a 沿晶断裂 图1 6 穿晶断裂和沿晶断裂示意图 1 3 l f i g 1 6t h ef r a c t u r es c h e m a t i cd r a w i n go ft r a n s g r a n u l a rf r a c t u r ea n dg r a i nb o u n d a r yf r a c t u r e 9 t 9 2 锅炉钢抗高温性能及其微观组织表征 1 4 耐热钢的高温强化方式 高温下提高耐热钢的强度 就是使耐热钢在温度和应力的影响下使其显微结 构尽量地避免发生不利的转变 因此 可以通过以下途径来提高耐热钢的高温使 用强度 增大晶格阻力 细化晶粒 减少晶界面积 提高位错密度 提高扩散时 的热激活能强化 合金化 第二相 形成复杂 网状的第二相 总而言之 提高 钢的热强性主要途径分三个方面 基体强化 第二相强化 晶界强化 l 引 1 4 1 固溶强化 主要出发点是提高基体金属的原子间结合力 降低固溶体的扩散过程 研究 表明 从钢的化学成分来说 凡是熔点高 自扩散系数小 可以提高钢的再结晶 温度的合金元素固溶于基体后都能提高钢的热强性 如高温合金中主要的固溶强 化元素有m o w c o 和c r 等 从固溶体的晶格类型来说 奥氏体基体比铁素体 基体的热强性高 这是由于奥氏体的点阵排列较铁素体致密 扩散过程不易进行 如在铁基合金中 f e c m o 等元素在奥氏体中的扩散系数显著低于在铁素体中 的扩散系数 这就使回复和再结晶过程减慢 第二相聚集速度减慢 从而使钢在 高温状态下不易软化 1 4 2 第 f l 粒子强化 主要出发点是要求第二相稳定 不易聚集长大且在高温下长期保持细小均匀 的弥散状态 因此对第二相粒子的成分及结构有一定的要求 耐热钢大多用难溶 合金碳化物作强化相 如m c m 2 3 c 6 m 6 c 等 为获得更高的热强性 可用热 稳定性更高的全属间化合物 如n i 3 t i a i n i 3 t i n i 3 a i 等作为基体的强化相 1 4 3 晶界强化 为减少高温状态下晶界的滑动 主要有下列途径 1 减少晶界 需适当控制钢的晶粒度 晶粒过细晶界多 虽然阻碍晶内滑移 但晶界滑动的变形量增大 塑变抗力降低 晶粒过大 钢的脆性增加 所以要适 当控制耐热钢的晶粒度 一般在2 4 级晶粒度时能得到较好的高温综合性能 2 净化晶界 钢中的s 和p 等低熔点杂质易在晶界偏聚 并和铁易于形成 低熔点共晶体 从而削弱晶界强度 使钢的热强性下降 在钢中加入b 稀土等 元素 可形成高熔点的稳定化合物 在结晶过程中可作为晶核 使易熔杂质从晶 界转入晶内 从而使晶界得到净化 强化了晶界 3 填补晶界上空位 晶界处空位较多 使扩散易于进行 是裂纹易于扩展的 地力加入b t i z r 等表面活化元素 可以填充晶界空位 阻碍晶界原子扩散 提高蠕变抗力 4 晶界的析出强化 如果在晶界上析出不连续的强化相 将使塑性变形时沿 1 0 硕士学位论文 晶界的滑移及裂纹沿晶界的扩展受阻 使钢的热强性提高 例如用二次固溶处理 的方法可在晶界上析出链状的c r 2 3 c 6 化合物 从而提高钢的热强性 除此之外 还可用形变热处理方法将晶界形状改变为锯齿状晶界和在晶内造 成多边化的亚晶界 进一步提高钢的热强性 1 5 耐热钢中主要合金元素及作用 耐热钢如果具有理想的合金元素配比 那么它比起其它钢来说将会具有很高 的高温持久强度和良好的持久塑性 以耐热钢中的铁素体钢为例 v k n e z e v i 等人归纳了铁素体钢中的合金元素 的作用 17 1 1 5 1c 和n 的作用 c 和n 是奥氏体形成元素 它们不能被用来平衡铁素体形成元素 因为高含 量的c 和n 会降低钢的韧性 焊接性并影响钢的抗腐蚀性能 文献 1 1 认为c 含 量对低碳高合金钢的组织和性能产生影响 含量较低时不改变单相板条马氏体的 组织 但影响其性能 随着碳含量的增加 终态硬度明显升高 耐腐蚀性下降 含量达到一定程度时 会改变组织构成 出现复相组织 由于严重的晶间腐蚀 抗耐腐蚀性大大降低 1 5 2n i 的作用 n i 的加入有效地降低了6 铁素体含量的同时使马氏体开始形成温度m s 减小 很少 但它能迅速降低加热时的临界温度a c l 从而使钢发生奥氏体化的温度降低 再者 n i 使析出相的稳定性减小 因此也并不希望用它来平衡大量的铁素体形成 元素 1 5 3m n 的作用 m n 对a c l 的影响和n i 相似 计算表明 它不能抑制有高含量析出相形成元 素的钢中6 铁素体的形成 1 5 4m o 的作用 由m o 元素形成的金属间化合物l a v e s 相 f e 2 m o 起强化的钢效果不是很明 显 因为当钢中加入m o 时 三相区域 0 m 2 3 c 6 l a v e sp h a s e 存在的温度低于 感兴趣的温度6 5 0 1 2 w 被认为是现代合金中最有效l a v e s 相形成元素 含有少 量元素n b 和t a 的0 m 2 3 c 6 和m x 碳氮化物相在6 5 0 下能够稳定存在 v 的加 入有助于m x 碳氮化物在基体中析出 t 9 2 锅炉钢抗高温性能及其微观组织表征 1 5 5 合金元素作用的进一步讨论 rv i s w a n a t h a n 和wtb a k k e r 对铁素体钢中添加合金元素的作用机制做了进一 步的讨论 6 c r 起到固溶强化作用 也能提高抗氧化及耐腐蚀性能 n i 可提高韧性 但不 利于蠕变强度 用c u 部分取代n i 能帮助稳定蠕变强度 c 用于形成细小的碳化物 析出相 w m o c o 是主要的固溶强化元素 v 和n b 在铁素体基体中 通过形成 细小均匀的m c n x 型碳氮化物析出相 发挥了析出强化作用 在退火或蠕变 过程中 v 还以v n 形式析出 加入0 2 5 v 和0 0 5 n b 产生的协同作用效果更为明显 对c 含量进行优化处理可获得良好的焊接性能 原子探针结果表明 b 进入m c 碳化物结构中 并在m c 一基体界面偏聚 有 观点认为 b 有助于减d x m c 粗化 促进v n 形核 这就是所谓的 潜在的抗蠕变 性能 机理 c o 是奥氏体稳定化元素 n f l 2 研发者表示 这是在钢中添加c o 的原 因 c o 能够推迟马氏体钢回火中的回复过程 也能促进回火过程中细小二次碳化 物的形核 原因是c o 既影响回复过程 也影响c 活度 由于c o 提高了c 活度但并不 溶于合金碳化物 所以c o 还能减慢二次硬化钢中合金碳化物的粗化 h i d a k a 的研 究结果证实 c o 还有利于提高钢的蠕变断裂应力 加入钢中的合金元素与铁形成固溶体 与碳形成碳化物 少量存在于夹杂物 如氧化物 氮化物 硫化物及硅酸盐等 中 在高合金钢中还可能形成金属间化 合物 几乎所有的合金元素 除p b 外 都可以溶于铁中 形成合金铁