金属材料毕业设计

金属材料毕业设计金属材料毕业设计 热处理钢对耐热铸钢G X12CrMoWVNbN10 1 1组织和性能的影响摘要组织和性能的影响摘要本文通过对G X12CrMoWVNbN10 1 1高强耐热钢进行了热处理试验 金相组织观察和性能测试等 对其 进行了组织与性能关系的研究 并对耐热钢 不锈钢和普通碳素钢 进行高温拉伸试验 对断口进行扫描电镜的微观组织观察及分析 试验结果表明耐热钢铸态组织为不均匀板条马氏体 正火获得的组 织为均匀板条马氏体 这种组织的硬度比较高 塑性和韧性不是很 好 正火 回火获得的组织为回火马氏体 这种组织硬度较未经回 火的马氏体硬度有所下降 塑性和韧性比较好 具有良好的综合性 能 对铸造G X12CrMoWVNbN10 1 1高强高温力学性能做了相应的实验通过与普通碳素钢 ZG20SiMn 不锈钢 ZG0Cr13Ni4Mo 等的高温性能和断口扫描的对比 得出G X12CrMoWVNbN10 1 1的组织与高温力学性能的关系 高温强度是耐热钢性能的一个重要指标 本试验对G X12钢进行了高温拉伸试验 但是由于制钢工艺上的缺陷 使钢中杂 质含量较多 影响了其高温拉伸性能 但是通过与普通碳素钢 ZG20SiMn 和不锈钢 ZG0Cr13Ni4Mo 的高温 性能对比 还是显示了它很好的抗拉强度 通过断口扫描分析 钢在高温下的断裂方式为韧性断裂 因此 对于电力行业来说 积极发展清洁 高效的发电技术显得十 分必要和迫切 结合我国的能源资源状况和电力技术发展的实际水平等具体因素 认为当前积极发展作为洁净煤发电技术之一的超临界火电技术很有 必要 1 我国是以煤为主要一次能源的国家 目前来说主要面临着两方面的 压力 2 一方面随着市场竞争的加剧 要求降低发电成本 另一方 面人们对全球环境问题的日益关注 要求电厂降低SO X NO CO2等气体的排放量 满足环保要求 因此对于电力行业来说 积极发展清洁高效的发电技术是一种十分 必要和迫切的措施 采用先进技术提高燃煤机组的效率 实现节能降耗 减少环境污染 一直是我国电力行业的重要和紧迫任务 3 为了节约能源 提高热效率和减少对环境的污染 高效节能的超 超 临界大型火电汽轮机机组对国民经济的意义是极为重要的 成为国 家优先发展的项目 4 从目前世界火力发电技术水平来看 提高火力发电效率的主要途径 是提高工作介质 蒸汽 的参数 即提高蒸汽温度和压力 发展超临界 SC 和超超临界 USC 火力机组 提高蒸汽参数对提 高火力发电厂效率的作用是十分明显的 随着蒸汽温度和压力的提高 电厂锅炉的效率在大幅度提高 供电 煤耗大幅度下降 提高蒸汽参数遇到的主要技术难题是金属材料耐 高温 耐高压问题 5 从我国国情出发 发展超临界乃至超超临界火电技术是必然的 我国现在开发国产超临界机组已经落后发达国家三四十年 鉴于国 外超超临界机组已经投入商业运行 我国有条件立足于更高的起点 在研制超临界机组的同时 尽快跨入发展超超临界机组阶段 实 现发电技术上的突破 6 超临界耐热钢工作在临界温度以上 它主要应用在超临界机组的锅 炉的高温过热器 再热器等部件 这些部件都是工作在承受高温和 交变载荷的地方 7 这就说明了耐热钢在这方面有及其优越的性能 为它的应用与推广 提供了前提条件 美国是开发超临界机组最早的国家 1957年Philo电厂即投运了31MPa 621 566 538 的二级再热机组 美国六七十年代采用较低的超临界参数 目的在于防止高温腐蚀 提 高机组可用率 8 发展超 超 临界发电机组 很重要的一环就是其关键零部件比如转 子 高 中压汽缸 主气阀 护环等材料的制造水平 9 而材料的 研究进展制约着机组的热效率和先进性 是超 超 临界机组 2 研发中的关键技术 10 超超临界机组的发电效率比我国主要采用的亚临界机组高出10 比 超临界机组高出6 8 xx年我国把开发超超临界锅炉列为国家863重大项目攻关计划 xx年 原国家经贸委和科技部都把超超临界锅炉列入国家重大技术装备研 制计划 11 中国电站目前正在以高效率 低煤耗的目标迈进一个崭新的能源利 用和环境保护并重的可持续发展时代 其重要标志是超临界和超超临界机组正在飞速发展 12 13 G X12CrMoWVNbN10 1 1 以下简称G X12 耐热钢是上世纪90年代由欧洲在COST 501计划期间研制成功 并申请专利 这种钢是在P91 T91耐热钢的基础上增加Cr含量到10 左右 并加入 1 W以及调整其它合金元素含量而研制出来 G X12耐热钢是超超临界高温铸钢件用钢 在能源相对紧张的今天 对材料的研究和开发对超超临界机组来说 具有重要的意义 各种动力机械 如电站的锅炉和蒸汽轮机等结构中的许多结构件是 在高温状态下工作的 工作温度的升高 一方面影响钢的化学稳定性 一方面降低钢的强 度 G X12在国内属于新钢种 相关研究报道很少 其组织与性能等方面缺 乏深入的研究 1 2超临界机组用高强耐热钢超临界机组中温度和压力的提高 需要 使用特殊的材料 这种材料要有适当的高温下强度 延展性能 由 于循环热应力引起的热疲劳和抗蠕变破坏强度 超临界机组中一些构件的服役条件是温度高 受力大 如用常规材 料 在设计上就要比以往的机组增大壁厚 这样在开启和停止时会 产生大的内外温差 造成过大的热应力 因而随着频繁的启停 材料 的抗热疲劳能力不断降低 因此对超超临界机组 为了把构件壁厚控制在以往部件的同样水平 上 除考虑到材料的制造性 热处理性及可焊性 还必须考虑到材 料应具有较高持久强度 Jakobva和Argent认为 钢的热强性能主要取决于合金原子在基体中 的溶解情况 14 15 而Foldyna和Prnka认为 Fe基体中合金碳化物的沉淀析出为强化的主要方式 它与析出相颗 粒的大小 形状及间距等有关 16 17 有人认为合金元素主要使基体得到强化才起到作用的 1 2 1高强耐热钢的特点SC和USC机组的蒸汽温度和压力参数相当亚 临界机组更高 因而对电站关键部件材料提出了更高和更新的要求1 耐高温腐蚀 蒸汽管道外侧受烟气的高温腐蚀 如温度进一步提高 腐蚀的速度 会更加严重 从而影响过热器 再热器 水冷壁的使用寿命 因此在SC和 3 USC机组中 制作材料必须耐高温腐蚀 2 良好的抗热疲劳性能 由于机组的启停 变负荷和煤质波动等会引起热应力 导致材料失 效 材料的抗热疲劳性能蚀与高温强度等同重要的指标 因此对于主蒸 汽管道 联箱 阀门等壁厚部件 因在保证强度的前提下选择抗热 疲劳性能好的铁素体型耐热钢 3 抗氧化性能 再热器 过热器管道内侧受在高温蒸汽的环境中 材料会发生氧化 且氧化速率随着温度的提高而加速 这将导致3种后果氧化层的绝热作用引起金属超温 氧化层的剥落在 弯头等处会因堵塞而引起超温爆管以及阀门泄漏 剥落的氧化物颗 粒对汽轮机前级叶片产生冲蚀 因此 在过热器 再热器等材料的选择中必须考虑材料的抗蒸汽氧 化性 4 较高的高温强度 对于主蒸汽管道 过热器 再热器管 联箱和水冷壁材料都必须有 与高的蒸汽参数相适应的高温持久强度 对汽轮机而言 转子 叶片等部件运行中需承受巨大的离心力 运 行参数提高对所用耐热钢的热强性提出了更高的要求 汽缸 阀门 等部件也由于蒸汽温度和压力参数的提高而需要更好热强性能的钢 材料 9 13 1 2 2高强耐热钢的分类耐热钢按组织分类主要为 18 铁素体型耐热 钢 奥氏体型耐热钢 珠光体型耐热钢 马氏体型耐热钢 贝氏体 型耐热钢 奥氏体钢比铁素体钢具有高的热强性 但热膨胀系数大 导热性小 抗应力腐蚀能力低 工艺性差 热疲劳和低周疲劳性能 特别是厚 壁件 也比不上铁素体钢 且成本高得多 奥氏体不锈钢由于具有极好的高温力学性能 已经普遍用于高温蒸 汽的应用 然而 对于它们的应用还存在一些不足 他们除了有相对地高的费用 奥氏体不锈钢表现出了高的热膨胀率 和低的热传导率 在加热和冷却期间 导致了高热应力的形成 并且它能引起热疲劳 按材料的成型方法分铸件 锻件和管件 在工业使用上 又常按含其含Cr量和使用性能将耐热钢分为低合金1 3 Cr钢 9 12 Cr钢和奥氏体钢 1 低合金耐热钢 低合金 是指合金元素总量不大于10 对于低 合金耐热钢 高温 是指服役范围在370 650 之间 19 低合金耐热钢在火电锅炉中作为压力部件得到了大量应用 特别是 过热器 再热器地低温区域以及水冷壁 在联箱和管道中应用也比 较普遍 这类低合金耐热钢关键的性能要求包括 1 450 以下良好的抗拉强度 120MPa 2 550 以下的持久强度 3 无需焊后热处理的优异焊接性 4 能 4 良好的抗蒸汽氧化性能 5 通过堆焊或喷涂获得优异的抗烟气腐蚀性能 2 2 奥氏体耐热钢在超 超 临界锅炉中 过热器和再热后部管子的温 度是很高的 蒸汽侧抗氧化和烟气侧抗腐蚀能力是材料选择的重要 因素 尤其蒸汽侧的氧化和氧化皮的脱落会导致汽轮机的严重侵蚀 直接影响到机组的高效安全运行 因此 奥氏体钢是过热器和再热器后部管子的主要候选材料 20 奥氏体钢比铁素体钢具有高的热强性 但热膨胀系数大 导热性小 抗应力腐蚀能力低 工艺性差 热疲劳和低周疲劳性能 特别是厚 壁件 也比不上铁素体钢 且成本高得多 奥氏体不锈钢由于具有极好的高温力学性能 已经普遍用于高温蒸 汽的应用 然而 对于它们的应用还存在一些不足 他们除了有相对地高的费用 奥氏体不锈钢表现出了高的热膨胀率 和低的热传导率 在加热和冷却期间 导致了高热应力的形成 并且它能引起热疲劳 3 9 12 Cr钢9 12 Cr钢是电站中重要的一类材料 用于锅炉和 汽轮机的许多部件 包括锅炉管 联箱 管道 转子 汽缸等 对于锅炉用9 12 Cr耐热钢钢 主要要求包括蠕变强度和运行温 度下的组织稳定性 高的A C1温度 良好的焊接性能和的第四类裂纹敏感性 抗蒸汽氧化能力 疲劳性能等 目前 国内开展了有关合金含量在9 12 中合金耐热钢的实验研究 工作 而且在电站设备制造中已有使用 9 1 3高强耐热钢的应用与发展1 3 1高强耐热钢的发展T P91钢是美国 20世纪70年代初由橡树岭国家实验室在T P9钢的基础上开发出来的 一种综合性能优异的9 Cr钢 它在T P9钢的基础上开发出来的一种综合性能优异的9 Cr钢 它在T P9钢的基础上通过添加微量合金元素V Nb 并控制C N的含 量而得 中国的合金牌号为10Cr9Mo1VNb 目前在国内外的亚临界和 超临界机组中得到广泛应用 在P91钢的基础上通过以W取代部分Mo获得了T P92钢和E911 T P911 2种新型钢种 在12 Cr钢中通过相同的合金化思想开发了P122钢 HCM12A 只 是为了避免出现 铁素体 钢中还加入了1 左右的Cu 这三种钢高温强度比P91都有不同程度的提高 P91钢可广泛应用于 超临界火电机组的主蒸汽 再热器管 而T P 92 E911 T P911 P122 HCM12A 是目前阶段参数更高的超超 临界火电机组 蒸汽温度小于 5 620 的联箱和高温蒸汽管道的主要材料 下一代的9 12 Cr马氏体钢正在研制当中 它们是在这三种马氏 体钢的基础上通过进一步增加W含量和添加Co Ta等合金元素的到 正在研发的材料由NF12和SAVE12等 预计可以用到650 的蒸汽温度 下 9 12 马氏体耐热钢的发展过程及趋势如图1所示 21 35MPa第一阶段60MPa第二阶段100MPa第三阶段140MPa第四阶段180MP a图图1 19 12 马氏体耐热钢的发展过程和趋势在汽轮机的转子 叶片 汽缸和阀体中对这类钢的性能要求包括低周疲劳性能 蠕变强度 低的应力腐蚀敏感性 铸造性能等 而国内对T92等铁素体钢系统 全面的试验研究还不多见 22 普通的12 Cr钢作为565 以下汽轮机转子锻件具有足够的持久强度 和抗热疲劳性能及韧性等 9 12 Cr汽轮机用钢的合金强化趋势与锅炉钢是类似的 英国的12Cr0 5MoVNbN H46 是发展的基础 美国20世纪 50 60年代在H46的基础上降低了Nb含量来降低固溶出来温度和保证 韧性 并减少Cr含量来抑制 铁素体得到10 5Cr1MoVNbN GE 以及 GE调整型 同时还在12CrMoV基础上开发了含W的12 Cr转子用钢AIS I422 这些钢与1 0CrMoV相比具有更好的性能 其中GE钢在565 的 超临界机组得到了成功应用 日本在H46基础上添加了B开发初10 5Cr1 5MoVNbB TAF 钢用于燃气 轮机涡轮盘和小型汽轮机转子 但运行与593 和630 的超临界和超超临界火电机组中上述钢种的 蠕变强度尚不足 日本在20世纪70年代开发了12Cr MoVNb系列593 级别的TR1100 TMK1 和TOS 101 12Cr MoVNbWN系列620 级别的TR1150 TMK2 和TOS107 更高合金含量的1 2Cr MoVNbW系列钢9Cr 1Mo9Cr 2Mo9Cr 2MoVNb9Cr 1MoVNb12Cr12Cr 0 5Mo12Cr 1MoV12Cr 1MoWV9Cr 1MoVNb12Cr 1Mo 1WV9Cr 0 5Mo 1 8WVNb12Cr 0 5Mo 1 8WVNb12Cr WCo NiVNb12Cr 0 5Mo 2WCuVNb12Cr WCoVNb 6 TR1200和12Cr MoVNbWCoB系列钢TOS110则用于入口温度高于630 的转子 其中TMK 1和TMK2已被用于日本593 以上的超临界超超临界机组中 欧洲也在COST501计划下开发了9 5Cr MoVNbB COSTB 10 5Cr MoVNbWN COST E 和12 2Cr MoVNbN COST F 等一系列转子用钢 这些钢的原型锻件已被用于理化分析 短时 和长时性能测试 其中COST F和COST E已应用与欧洲的超超临界机组 除了转子用钢 日本还开发了593 使用的汽缸材料9 5Cr1MoVNbN T OS301 以及更高温度使用的9 5Cr0 5Mo2WNbN TOS302 和9 5Cr0 5Mo 2WNbNB3 0Co TOS303 欧洲相应的开发了G X12CrMoWVNbN91和G X12CrMoWVNbN10 1 1钢两种铸钢材料 由GEC Alsthom Babcock Simens和ABB等人共同组织编写的资料指出 23 最近15年新型铁素体 马氏体的9 12 Cr钢研制开发成功 允许主蒸汽温度提高之610 压力达到30MPa 再热625 这可使机组的效率比亚临界机组提高8 1 3 2耐热钢的热处理耐热钢在出厂和使用的之前一定要进行适当的 热处理 24 使其获得优良的力学性能 1 低合金耐热钢的热处理在低合金耐热钢中 除了厚度小于等于30m m的Mo钢和Mn Mo钢可以热轧状态供货和直接使用外 其余各种耐热钢在任何厚度 下均应以热处理状态供货 这些热处理状态包括 退火 完全退火 等温退火 正火 正火 回火 淬火 回火 高温回火和去应力处理等 对于耐热钢铸件还要求作均匀化处理 上列热处理的目的在于使钢材具有最佳的金相组织 晶粒尺寸及所 要求的力学性能 如果控温条件适当 则可以利用钢板热加工过程中均匀的加热和冷 却代替常规正火 然而对于厚度超过100mm的钢材 正火时的冷却速度不足以形成所要 求的最佳金相组织 因此 在这种情况下 应采用冷风和水淬等加速冷却方法 以获得 标准规定的力学性能 2 中合金耐热钢的热处理中合金耐热钢由于合金含量较高 具有相 当高的空淬特性 即通过空冷就可以得到正火组织 为了保证其优 良的力学性能 钢材在轧制成材后 必须作相应的热处理 这些热处理包括等温退火 完全退火 正火 回火 3 高合金耐热钢的热处理各种高合金耐热钢均以不同的热处理状态 供货 奥氏体耐热钢大多数以固溶处理状态供货 而铁素体型和马氏体型 耐热钢则以退火处理状态供 7 货 弥散硬化型耐热钢的热处理形式是固溶处理 时效处理 1 4本文的研究目的和主要内容本课题是与哈尔滨电机厂有限责任公 司的合作项目 1 4 1本文研究的目的和意义增加火电效率的方法之一 就是使超临 界机组的广泛的使用 随着科学技术的发展和进步 我国已经具备 设计 生产超超临界机组的条件 大力发展发展超超临界机组 逐 步提高大容量机组的比例是我国火电发展的方向 但要实现更高蒸汽参数下机组的可靠运行 必须使用和高参数相适 应的高性能的耐热钢材 但铸造耐热钢的应用研究目前在我国还处于起步阶段 本课题的研 究目的和意义主要在于通过试验研究 了解和掌握G X12耐热钢的组织变化与性能的关系 为G X12耐热钢的生产工艺提供技术参数 以及对G X12耐热钢的高温拉伸性能的研究 1 4 2本文研究的主要内容1 分别对铸态 正火 正火 回火三种状 态的试样进行组织观察 通过观察确定不同热处理状态对其组织的 影响 2 正火后分别对试样进行不同温度的回火 进行组织观察 探索不 同的回火温度对其组织的影响 3 对试样进行高温拉伸试验 研究和分析试样的高温性能 8 第第2章章试验材料及试验设备仪器2 1工艺参数表2 1为G X12耐热钢的化学成分 性能和工艺要求 表表2 1试验材料的化学成分及性能和工艺要求元素含量性能指标工艺要求 C0 11 0 14 0 2 5xx80 1100 正火730 740 回火Si0 20 0 40 Mn0 80 1 20 b 680 850P 0 02S 0 01 5 25 Cr9 20 10 20Mo0 90 1 05 40 V0 18 0 25Ni0 60 0 80A kv 35Al 0 02W0 95 1 05Nb0 05 0 08N0 04 0 062 2热处理设备 将试验材料在 10箱式高温电阻炉中进行高温加热处理 在RJM 1 8 10A电阻炉中进行中低温加热处理 2 3性能试验及组织结构观察2 3 1拉伸试验对高强耐热钢进行高温 拉伸试验 试验在CSS44300型电子万能试验机上进行 试样如图2 1所示 2 3 2硬度试验试验材料硬度采用洛氏硬度 洛氏硬度在HR 150DT型洛氏硬度计上 9 进行 图2 1高温拉伸试样示意图2 3 3金相组织观察对热处理的试样在金相砂 纸上研磨后放到抛光机上抛光 试样腐蚀用氯化铁的盐酸溶液 然 后进行金相组织观察 金相组织观察在OLYMPUS GX71型金相显微镜上进行 并对典型的组织区域进行照相 2 4断口扫描对高温拉伸试样的断口进行扫描 扫描在FEI Sirion2000扫描电子显微镜上进行 2 5本章小节本章介绍了本试验用材料及试验用设备 10 第第3章章对热处理对G X12组织与性能的影响3 1引言先对G X12耐热钢分别进行正火 正火 回火的热处理 试样正火温度为108 0 冷却方式是空冷 将四个试样分别在700 735 770 8 00 下回火1 5h 空冷 通过不同回火工艺的组织观察以及性能的 测试得到不同的组织和性能结果来进行比较分析 以确定热处理对G X12组织和性能的影响 金属及其合金的组织决定其机械性能 通过热处理改变其性能是通 过改变其组织来实现的 25 金属及合金的组织转变规律即热处理原理是制定热处理工艺的依据 即温度 时间 介质等 26 27 来获得不同的基体组织 通过不同回火温度得到不同的组织和性能结果来进行比较分析 以 确定不同的回火温度的热处理对组织和性能的影响 3 2试验材料在不同状态下的金相组织图3 1为G X12分别在铸态 正火态 正火 回火态 工艺参数见表2 1 的处理状态下的金相组织的对比 a 铸态b 正火态c 回火态图图3 1不同状态金相组织a c b 11 3 3不同回火温度下的金相组织将四个试样分别在700 735 77 0 800 下回火1 5h 空冷 研磨 抛光 用氯化铁的盐酸溶液 进行腐蚀后 通过OLYMPUS GX71型金相显微镜上进行金相观察 得到一组金相照片 如图3 2所示 a 700b 735c 770d 800 图图3 2不同回火温度金相组织3 4不同热处理后的硬度分别将铸态 正火 正火 回火三种热处理状态的试样放在HR 150DT型洛氏硬度计上进行硬度测试 其结果见表3 1和图3 3 表表3 1试样在不同热处理状态的硬度测试数状态1234平均值铸态21 52020 20 520 5正火40 540414140 6回火2930303029 7a b c d 12 分别将不同回火温度的四种试样放在HR 150DT型洛氏硬度计上进行硬度测试 得出如下结果 如表3 2和图3 4 表表3 2试样在不同回火温度下的硬度值测试点数温度硬度 HRC 1234平 均值700 回火31 031 031 031 031 0735 回火29 030 030 030 02 9 7770 回火25 526 026 026 526 0800 回火29 529 028 529 529 13 5试验结果分析GX 12钢属于高合金低碳钢 含有大量的Cr Mo W等合金元素 使钢具 有很好的淬透性 奥氏体化后在空冷条件下得到全马氏体组织 回 火后形成回火板条马氏体 不同热处理状态以及回火工艺对耐热钢的组织和性能有很大的影响 图3 1显示了不同热处理状态的显微组织 表3 1和图3 3显示了同热处理状态的硬度值 铸态时奥氏体转变的板条马氏体 但其中的马氏体组织分布非常不均匀 大小也不等 如图3 1 a 因此影响了耐热钢的性 0510152025303540HRC铸态 正火正火 回火图图3 3试样不同状态硬度变化柱状图 13 能 所以其硬度较低 正火后为板条状马氏体和少量残余奥氏体 经加热处理后 其组织中的板条马氏体也变得较为均匀 如图3 1 b 所以它的硬度很高 几乎为铸态时的两倍 正火 回火状态时 的回火马氏体板条比较细 分布均匀 如图3 1 c 硬度有所下降 但仍比铸态时要高 图3 2为不同回火温度下的金相组织照片 随着温度的逐渐升高 马氏体也逐渐变细 从表3 2中的性能测试结果可以看出 高温回火对其硬度影响并不明显 表 现出了耐热钢良好的抗回火能力 因此 它的工作温度还可继续提高 3 6本章小结1 观察不同处理状态下高强耐热钢的微观组织 铸态下为板条马氏体 奥氏体 正火状态下为全板条马氏体组织 回火状态下为回火马氏体组织 2 通过对钢进行不同的回火工艺 分析回火温度对耐热钢组织和性 能的影响 结果表明回火温度你变化对与硬度的影响并不明显 但 其良好的抗回火能力也可以说明耐热钢的耐高温性很好 14 第第4章章高强耐热钢高温性能的研究4 1引言本文通过对高强耐热 钢在550 600 650700 温度下进行高温拉伸及拉伸断口扫 描 分析高强耐热钢的高温性能 对比材料为普通碳素钢 ZG20SiMn 不锈钢 ZG0Cr13Ni4Mo 这两 种对比材料的热处理方法都为正火 回火 4 2高温拉伸试验结果表4 1 表4 2 表4 3分别为耐热钢 碳素钢 不锈钢的高温拉伸试验结果 表表4 1耐热钢的高温拉伸性能温度 b Mpa断后延伸率 断面收缩率 550 55026 84 600 50522 82 650 41024 83 700 31020 76 表 表4 2碳素钢的高温拉伸性能温度 b Mpa断后延伸率 断面收缩率 550 11638 92 600 8739 93 650 6361 90 700 5152 87 表表4 3不锈钢的高温拉伸性能温度 b Mpa断后延伸率 断面收缩率 550 34016 80 600 14230 79 650 15025 91 700 9433 77 图4 1和图4 2为这三种钢的抗拉强度以及断后延伸率随温度变化对比曲线 15 图图4 13种钢抗拉强度随温度变化对比曲线图图4 23种钢断后延伸率随温度变化对比曲线4 3断口扫描结果图4 3 图4 4 图4 5分别为高强耐热钢 碳素钢 不锈钢在550 600 650 700 四种温度下的高温拉伸端口扫描照片 1 耐热钢在550600650700 的高温拉伸断口扫描5506006507 00100 xx00400500600GX12碳素钢不锈钢温度 抗拉强度 MPa550600 6507002030405060708090100GX12碳素钢不锈钢温度 断后延伸率 16 a 550b 600c 650d 700 图图4 3耐热钢不同温度下高温拉伸断口 2 碳素钢在550600650700 的高温拉伸断口扫描a 550 b 6 00 c 650 d 700 图图4 4普通碳素钢在不同温度下高温拉伸断口a b c d a b c d 17 3 不锈钢在在550 600 650 700 的高温拉伸断口扫描a 550b 600c 650d 700 图图4 5不锈钢不同温度下高温拉伸断口4 4试验结果分析由于GX12钢中含 有一定量的Mo W等合金元素 使回火马氏体组织在高温下具有很好 的抗软化能力 使得耐热钢有很好的高温拉伸性能 而碳素钢和不锈钢在这方面就不如高强耐热钢如表4 1 表4 2 表4 3所示 图4 1为3种钢的抗拉强度对比曲线 由次图可以看出普通碳素钢 ZG20Si Mn 和不锈钢 ZG0Cr13Ni4Mo 的抗拉强度明显不如高强耐热钢 图4 2为3种钢的断后延伸率对比曲线 高强耐热钢的高温强度比另两种 钢高出很多 而其延展性比普通碳素钢 ZG20SiMn 低 与不锈钢 ZG 0Cr13Ni4Mo 不相上下 如图4 2 根据GX12钢的化学成分特点和热处理工艺 可以分析其具有良好高 温性能的原因 GX12钢的热处理工艺为淬火 高温回火 在1080 奥氏a b c d 18 体化后风冷淬火得到板条马氏体组织 并形成较高的位错密度 随后在735 高温回火过程中 板条马氏体并不像一般的调质钢那样 发生分解生成索氏体组织 而只是发生多边化回复 以消除因马氏 体相变而造成的相变应力和降低位错密度 并在马氏体板条界析出 细小的M23C6型碳化物 这是因为钢中含有1 W和1 Mo W和Mo能降低高温回火时钢中合金元 素的迁移能力 从而使大部分合金元素仍然固溶在马氏体中 合金元素W和Mo的存在使钢具有很好的抗回火稳定型 使钢在高温保 温过程中仍能保持马氏体板条组织 碳素钢在高温下保温是回火索氏体组织 而回火马氏体比回火索氏 体具有更高的强度 而塑性相对比较差 所以GX12钢具有比碳素钢较高的高温强度 而延展性要比碳素钢低 如图4 4和图4 5所示普通碳素钢 ZG20SiMn 和不锈钢 ZG0Cr13Ni4Mo 韧窝较深 较 大 显然其拉伸性能不如耐热钢 从图4 1中可以看出耐热钢的拉伸性能随温度升高下降很快 通过与普通碳素钢 ZG20SiMn 和不锈钢 ZG0Cr13Ni4Mo 的高温性能 对比 虽然耐热钢中含有大量的杂质 但其高温下的强度仍然比它 们要高 这也显示了此种耐热钢具有很好的高温性能 4 5本章小结断口是断裂过程的最真实 完整的记录 通过断口分析 可以知道断裂过程中裂纹形核 长大的部位以及材料断裂方式 从 而揭示材料的制造情况 材料的性能和材料的断裂过程 本章对耐热钢的高温拉伸性能进行了分析 并与普通碳素钢 ZG20Si Mn 和不锈钢 ZG0Cr13Ni4Mo 作了比较 随着温度升高拉伸强度下降 断后延伸率和断面收缩率变化不大 从断口扫描可以看出钢的断裂方式为韧性断裂 而且随温度升高 断口韧窝变大变深 具有较好的强度和塑性 19 结论为了研究热处理对铸造G X12高强耐热钢的组织和性能的影响 通过使用不同的热处理工艺对 材料进行热处理 并进行金相观察 进一步明确了热处理对铸造G X12高强耐热钢材料的组织与性能的影响 对耐热钢 不锈钢和普通 碳素钢进行高温拉伸试验 对断口进行扫描电镜的微观组织观察及 分析 结果如下1 G X12铸态下为大小不均的板条马氏体 正火状态下为均匀的板条马氏 体 回火状态下为回火马氏体组织 三种状态下的硬度 铸态最低 正火态最高 2 在本试验条件下 不同的回火温度对试样的硬度影响不明显 3 通过对耐热钢G X 12 普通碳素钢 ZG20SiMn 和不锈钢 ZG0Cr13Ni4Mo 的高温拉伸试 验表明 耐热钢G X12的高温强度最好 延伸率次之 三种钢断口的断裂方式都为韧性 断裂 20 致谢本论文是在哈尔滨理工大学姚秀荣老师和刘兆晶导师悉心指导 下完成的 从论文的选题到具体试验方案的拟定以及论文撰写的每一个环节都 浸透着姚秀荣导师和刘兆晶导师两位导师的心血 姚秀荣导师和刘兆晶老师渊博的知识和严谨务实的治学态度将使作 者收益终身 在此谨向姚秀荣老师和刘兆晶老师致以崇高的敬意和 表示衷心的感谢 21 参考文献1苗金 危师让 超临界火电技术及其发展 热力发电 xx 5 22周荣灿 范长信 超超临界火电机组材料研究及选材 中国电力 xx 38 8 41 473沈邱农 陈文辉 超超临界汽轮机的特点 动力工程 xx 22 2 1659 16634李君 吴少华 李振中 超超临界燃煤发电技术是我国目前发展 洁净煤发电技术的优先选择 中国电力 xx 24 9 13 175陈小林 楼玉民 杨点中 超超临界火电机组锅炉用钢的分析 浙江 电力 xx 3 606毛雪平 王罡 马志勇 超超临界机组汽轮机材料发展状况 现 代电力 xx 2 1 697赵钦新 朱丽慧 顾海澄 国产T91 P91的深化研究 锅炉技术 1999 30 8 16 328赵旺初 发展超临界机组以降低煤耗 东方电气评论 xx 16 1 539马力深 钟约先 马庆贤 袁朝龙 超 超 临界火电机组中高压 转子技术的发展 锻压技术 xx 4 39 4210闻达 超级钢铁材料 金属世界 1999 6 611赵毓 超超临界机组在我国发展的必要性与可行性 锅炉制造 xx 4 75 7612李君 吴少华 李振中 超超临界燃煤发电技术是我国目前发展洁 净煤发电技术的优先选择 中国电力 xx 24 9 13 1713樊泉桂 新一代超临界锅炉的技术分析 锅炉技术 xx 4 1314K Sawadaa T Ohbab H Kushimaa K Kimurab Effectof microstructureon elasticproperty athightemperatures inferritic heatresistant steels Materials Science and Engineering xx 39 4 36 4215L H Zhua Q X Zhao H C Gu Y S Lu Application ofinstrumented impacttest Forstudyingynamicfractureroperty ofCr 1Mo V NbN steel Engineering FtuctureMechanics 1999 64 327 33616A G Ioltukhovskiy A I Blokhin Meterial scienceand manufacturingof heart resistant reduced activation ferritic martensitic steelsfor fusion Journal ofNuclear Materials 2000 28 3 652 65617K Sawada K Kimura F Abe Mwchanical reponseof9 Cr heat resistant martensitic steelstonsiticsteelstoabrup stressloadingattemperature Materials 22 ScienceandEngineering xx 35 8 52 5818曾汉才 关于超临界压力锅炉的若干问题 一 华中电力 xx 14 1 1 5 19徐自立 高温金属材料的性能 强度设计及工程应用 化学工业 出版社 xx 12 16 2020胡平 超 超 临界火电机组锅炉材料发展 电力建设 xx 26 6 28 2921周荣灿 范长信 李耀君 电站用材的现状及发展趋势 钢管 xx 3 5 1 2522李以善 王勇 韩彬 等 T92钢的焊接工艺和组织性能研究 工艺与新技术 xx 36 3 3123H MayerK etal Newmaterials forimproving theefficiency offossil fired thermalpower stations International JointPower GenerationConference inBaltimore USA 1998 12 24中国机械工程学会焊接学会 焊接手册 北京 机械工业出版社 1993 625赵成志 魏双胜 周洪礼 等 超超临 界汽轮机高温铸钢的性能特征 材料导报 xx 21 5 14926潘金生 仝健民 田民波 材料科学基础 北京 清华大学出 版社2000 3 27R WK Honeybe Steels Microstructureand Properies London Edward ArnoldLtd 1981 25 23 附录Microstructure evolution of castmartensitic steelG X12CrMoWVNbN10 1 1during creepat823K AbstractMicrostructure ofthecastmartensitic steelG X12CrMoWVNbN10 1 1after creepfor12434h tofracture at823K wasquantitatively investigatedby electron microscopy EDS has been usedto discriminatetype of precipitates The size distributions ofsubgrains and precipitates ofthe typesM23C6 VX NbX M metal X C N and Laves phase weredetermined fromelectronmicroscopyimages The volumefraction ofthese precipitateswas calculated Subgrain microstructuresdevelop asa functionof creepstrain No coarseningtakes placefor M23C6and MXafter creep Laves phaseadditionally precipitatesduring creepand therebyleads tosignificant increaseof volumefraction The stabilityof precipitatesand theirrelation tocreep propertiesare discussed xxElsevier ScienceB V All rightsreserved Keyword