新型高Cr鐵素體耐熱鋼的相變行為研究.pdf

1、高Cr鐵素體耐熱鋼具備優(yōu)異的高溫持久性能和蠕變性能、良好的熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)和較高的性能價(jià)格比，因此已廣泛用于先進(jìn)火力發(fā)電站機(jī)組中的高溫部件(如主蒸汽管道、過熱器和再熱器管道等)。此外，由于高Cr鐵素體耐熱鋼具有出色的抗輻照性能，其還是核電站結(jié)構(gòu)部件的候選材料。隨著能源短缺和環(huán)境污染等問題的日益突出，提高高Cr鐵素體耐熱鋼的耐熱溫度以及提高電廠熱效率的研究勢在必行。
　　 作為高Cr鐵素體耐熱鋼的代表鋼種，T91鋼已廣泛用于火

2、力發(fā)電站的耐熱材料之中，并且已經(jīng)成為開發(fā)滿足更高溫度要求的新型高Cr鐵素體耐熱鋼的研究標(biāo)準(zhǔn)。基于本課題組前期對T91鋼相變及強(qiáng)化工藝的研究，以及組織強(qiáng)化機(jī)理和合金化原理，開發(fā)了四種新型高Cr鐵素體耐熱鋼。并針對新型高Cr鐵素體耐熱鋼進(jìn)行了顯微組織分析和力學(xué)性能測試，以確定其是否具備優(yōu)越的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性，是否可成為650℃用耐熱鋼的候選。為更深入的研究其相變過程和機(jī)理，組織形成與演化規(guī)律，以及探索控軋控冷的新工藝，采用高精度差分膨脹測量

3、以及顯微硬度測試等試驗(yàn)手段，對新型高Cr鐵素體耐熱鋼的加熱、冷卻、保溫及回火階段的相變行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。并在此基礎(chǔ)上針對各階段的相變動(dòng)力學(xué)建立了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型。得出結(jié)論如下：
　　 (1)對自行研發(fā)的新型高Cr鐵素體耐熱鋼進(jìn)行了組織分析和力學(xué)性能測試。新型高Cr鐵素體耐熱鋼的正火組織主要由高密度位錯(cuò)的馬氏體板條和少量的δ-鐵素體組成?；鼗鸷蠼M織中析出大量晶內(nèi)和晶界沉淀，此外位錯(cuò)密度有所降低，板條呈現(xiàn)變寬的趨勢。新型高Cr鐵素

4、體耐熱鋼最佳熱處理工藝為：1100℃正火+750℃回火；與傳統(tǒng)高Cr鐵素體耐熱鋼(如T91鋼和T92鋼等)相比，新型高Cr鐵素體耐熱鋼熱處理后其拉伸及屈服強(qiáng)度顯著提高，具有更高的回火抗力，在高溫回火條件下其回復(fù)及再結(jié)晶趨勢更為緩慢。
　　 (2)對新型高Cr鐵素體耐熱鋼的連續(xù)加熱過程中奧氏體相變行為及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。不同的加熱速率會(huì)顯著影響新型高Cr鐵素體耐熱鋼的奧氏體相變開始溫度Ac1和結(jié)束溫度Ac3，加熱速率越快，Ac1和

5、Ac3越高，奧氏體相變被推遲到更高的溫度。提高加熱速度導(dǎo)致合金元素?cái)U(kuò)散速率的增加，從而加快了擴(kuò)散控制生長的奧氏體相變的速率，縮短了相變所需時(shí)間。對連續(xù)加熱過程中的奧氏體相變過程進(jìn)行了基于JMAK模型的動(dòng)力學(xué)建模，該模型采用位置飽和形核、擴(kuò)散控制生長的相變方式，能較為精確的描述新型高Cr鐵素體耐熱鋼的奧氏體相變行為，模型的數(shù)值擬合精度和各動(dòng)力學(xué)參數(shù)的物理意義都能較好的符合實(shí)際的相變過程。隨著加熱速率的升高，由于奧氏體相變時(shí)間的縮短，合金元

6、素的溶解不充分，導(dǎo)致奧氏體相變過程的擴(kuò)散激活能Qd由130.1kJ/mol逐漸降低為79.0kJ/mol，相變完成之后，合金元素繼續(xù)進(jìn)行溶解，導(dǎo)致了熱膨脹曲線的偏離。
　　 (3)對T91鋼和新型高Cr鐵素體耐熱鋼奧氏體之后的冷卻階段的相變進(jìn)行了系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上建立了馬氏體相變動(dòng)力學(xué)模型，并推廣到應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變的動(dòng)力學(xué)研究。T91鋼在奧氏體化之后的空冷過程中會(huì)析出針狀M3C沉淀相，而水冷則會(huì)抑制M3C相的析出，而且M3C

7、相的析出發(fā)生于馬氏體相變之前的亞穩(wěn)奧氏體中，并導(dǎo)致了馬氏體相變的分裂行為。高冷速同樣抑制了新型高Cr鐵素體耐熱鋼組織中M3C相的析出，隨著冷速的提高，組織內(nèi)淬火空位和位錯(cuò)密度也增加，導(dǎo)致Ms點(diǎn)稍微上升，正是由于缺陷的增加提高了母相的強(qiáng)度，從而減緩了由切變主導(dǎo)的馬氏體相變的長大速率。在Koistinen-Marburger模型的基礎(chǔ)上提出了適用于新型高Cr鐵素體耐熱鋼的馬氏體相變動(dòng)力學(xué)模型，對其非熱激活馬氏體相變特征進(jìn)行了描述，模型分析表

8、明，冷速的增加略微提高了馬氏體相變的形核率，明顯阻礙了馬氏體相界面的移動(dòng)速率，從而導(dǎo)致相變速率的降低。對預(yù)應(yīng)力加載下的新型高Cr鐵素體耐熱鋼的應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變進(jìn)行了顯微組織和相變行為研究，并建立了相變動(dòng)力學(xué)模型，研究表明，預(yù)應(yīng)力的存在導(dǎo)致了晶粒的破碎和馬氏體板條的細(xì)化，通過增加晶內(nèi)缺陷的方式提高了形核率，導(dǎo)致Ms點(diǎn)的提高，同時(shí)還通過對母相的強(qiáng)化降低了馬氏體長大的界面移動(dòng)速率，造成了相變速率的降低，進(jìn)而導(dǎo)致相變時(shí)間的延長。
　　

9、 (4)對新型高Cr鐵素體耐熱鋼冷卻階段的等溫停留過程進(jìn)行了顯微組織和相變行為研究，并建立了相應(yīng)的貝氏體相變模型。在550℃或400℃的等溫停留導(dǎo)致了貝氏體相變的發(fā)生，而且等溫溫度越低，生成的貝氏體數(shù)量也越多，由于貝氏體的生成，導(dǎo)致奧氏體熱穩(wěn)定化現(xiàn)象消失，隨后馬氏體相變的開始溫度不降反升。650℃等溫的試樣中沒有貝氏體相變的發(fā)生，但由于原奧氏體晶界處的碳化物沉淀相的析出，同樣造成了奧氏體熱穩(wěn)定化現(xiàn)象的消失。對不同等溫溫度的貝氏體相變過程

10、進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模，證明其完全符合自催化形核的不完全貝氏體相變切變機(jī)制，其模型的數(shù)值擬合精度和所確定的動(dòng)力學(xué)參數(shù)均能較好的符合實(shí)際相變過程。根據(jù)建立的動(dòng)力學(xué)模型可知，等溫貝氏體相變的臨界溫度為687.5℃，低于此溫度才能發(fā)生貝氏體相變，而且等溫溫度越低，則相變驅(qū)動(dòng)力越大，生成的貝氏體越多。等溫溫度越低，自催化形核的數(shù)量更多，且形核激活能越低，則相變速率越大。
　　 (5)通過顯微組織觀察及相變行為分析，對T91鋼和新型高Cr鐵素體

11、耐熱鋼回火階段的組織演化和沉淀析出規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。冷卻過程中析出的M3C沉淀相會(huì)對T91鋼的早期回火行為造成影響，在回火之前如果組織中存在M3C沉淀相，會(huì)導(dǎo)致M23C6沉淀相的顆粒尺寸更小，且數(shù)量密度更大，且M23C6沉淀相更傾向晶內(nèi)析出，但是隨著回火時(shí)間的延長，M3C沉淀相的存在對M23C6相沉淀析出的影響逐漸變得不明顯。T91鋼的二次回火能夠細(xì)化馬氏體板條組織，并增加沉淀相顆粒的數(shù)量密度以及減少其尺寸，這是因?yàn)?，在一次回火階段，

12、析出的少量沉淀相顆粒對板條和位錯(cuò)造成有效釘扎，在二次回火階段，沉淀得以充分析出，而板條寬度和位錯(cuò)密度依然能維持在較為理想的水平。對新型高Cr鐵素體耐熱鋼的回火動(dòng)力學(xué)研究表明，非均勻形核的M23C6沉淀相的形核位置會(huì)隨著沉淀相顆粒密度的增加而減少，導(dǎo)致其形核率隨時(shí)間而衰減，回火前期M23C6沉淀相的長大符合Zenner擴(kuò)散生長模型，其長大速率與溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)，而隨著回火的繼續(xù)進(jìn)行，基體中溶質(zhì)濃度不斷下降，導(dǎo)致M23C6沉淀相的長大

13、速率明顯放緩，此外，回火階段馬氏體板條的遷移速率由晶界處原子的熱激活擴(kuò)散所控制，隨著回火時(shí)間的延長，板條寬度不斷增加；對新型高Cr鐵素體耐熱鋼應(yīng)變誘發(fā)馬氏體的回火過程的研究表明，應(yīng)力加載后的回火試樣的板條寬度更小，應(yīng)力加載還導(dǎo)致了在回火階段亞晶粒的出現(xiàn)，這是因?yàn)闅堄鄳?yīng)變能的存在導(dǎo)致系統(tǒng)自由能的增加，以及回復(fù)激活能的降低，從而引起板條回復(fù)的提前出現(xiàn)，此外，應(yīng)力加載后的回火試樣組織內(nèi)的沉淀相顆粒的尺寸更細(xì)小，且數(shù)量密度更高，這是由于缺陷的增