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、良好的熱導率、低熱膨脹系數(shù)和較高的性能價格比，因此已廣泛用于先進火力發(fā)電站機組中的高溫部件(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，其還是核電站結構部件的候選材料。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準。基于本課題組前期對T91鋼相變及強化工藝的研究，以及組織強化機理和合金化原理，開發(fā)了四種新型高Cr鐵素體耐熱鋼。并針對新型高Cr鐵素體耐熱鋼進行了顯微組織分析和力學性能測試，以確定其是否具備優(yōu)越的熱強性和熱穩(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行了系統(tǒng)研究。并在此基礎上針對各階段的相變動力學建立了相應的動力學模型。得出結論如下：
　　 (1)對自行研發(fā)的新型高Cr鐵素體耐熱鋼進行了組織分析和力學性能測試。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織中析出大量晶內和晶界沉淀，此外位錯密度有所降低，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及再結晶趨勢更為緩慢。
　　 (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力學進行了研究。不同的加熱速率會顯著影響新型高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。提高加熱速度導致合金元素擴散速率的增加，從而加快了擴散控制生長的奧氏體相變的速率，縮短了相變所需時間。對連續(xù)加熱過程中的奧氏體相變過程進行了基于JMAK模型的動力學建模，該模型采用位置飽和形核、擴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)值擬合精度和各動力學參數(shù)的物理意義都能較好的符合實際的相變過程。隨著加熱速率的升高，由于奧氏體相變時間的縮短，合金元

6、素的溶解不充分，導致奧氏體相變過程的擴散激活能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)進行溶解，導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行了系統(tǒng)研究，在此基礎上建立了馬氏體相變動力學模型，并推廣到應變誘發(fā)馬氏體相變的動力學研究。T91鋼在奧氏體化之后的空冷過程中會析出針狀M3C沉淀相，而水冷則會抑制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，組織內淬火空位和位錯密度也增加，導致Ms點稍微上升，正是由于缺陷的增加提高了母相的強度，從而減緩了由切變主導的馬氏體相變的長大速率。在Koistinen-Marburger模型的基礎上提出了適用于新型高Cr鐵素體耐熱鋼的馬氏體相變動力學模型，對其非熱激活馬氏體相變特征進行了描述，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速率，從而導致相變速率的降低。對預應力加載下的新型高Cr鐵素體耐熱鋼的應變誘發(fā)馬氏體相變進行了顯微組織和相變行為研究，并建立了相變動力學模型，研究表明，預應力的存在導致了晶粒的破碎和馬氏體板條的細化，通過增加晶內缺陷的方式提高了形核率，導致Ms點的提高，同時還通過對母相的強化降低了馬氏體長大的界面移動速率，造成了相變速率的降低，進而導致相變時間的延長。
　　

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行了顯微組織和相變行為研究，并建立了相應的貝氏體相變模型。在550℃或400℃的等溫停留導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、進行了動力學建模，證明其完全符合自催化形核的不完全貝氏體相變切變機制，其模型的數(shù)值擬合精度和所確定的動力學參數(shù)均能較好的符合實際相變過程。根據(jù)建立的動力學模型可知，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，則相變驅動力越大，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)律進行了系統(tǒng)研究。冷卻過程中析出的M3C沉淀相會對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，會導致M23C6沉淀相的顆粒尺寸更小，且數(shù)量密度更大，且M23C6沉淀相更傾向晶內析出，但是隨著回火時間的延長，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，這是因為，在一次回火階段，

12、析出的少量沉淀相顆粒對板條和位錯造成有效釘扎，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力學研究表明，非均勻形核的M23C6沉淀相的形核位置會隨著沉淀相顆粒密度的增加而減少，導致其形核率隨時間而衰減，回火前期M23C6沉淀相的長大符合Zenner擴散生長模型，其長大速率與溶質原子的擴散系數(shù)相關，而隨著回火的繼續(xù)進行，基體中溶質濃度不斷下降，導致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散所控制，隨著回火時間的延長，板條寬度不斷增加；對新型高Cr鐵素體耐熱鋼應變誘發(fā)馬氏體的回火過程的研究表明，應力加載后的回火試樣的板條寬度更小，應力加載還導致了在回火階段亞晶粒的出現(xiàn)，這是因為殘余應變能的存在導致系統(tǒng)自由能的增加，以及回復激活能的降低，從而引起板條回復的提前出現(xiàn)，此外，應力加載后的回火試樣組織內的沉淀相顆粒的尺寸更細小，且數(shù)量密度更高，這是由于缺陷的增