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关于耐热钢高温时效韧性度的研究

2010-7-22 9:26:17 中国耐热钢网 【字体:
耐热钢高温时效韧性(度)的研究某耐热钢高温时效韧性(度)的研究
作者:王冬梅 张庄
单位:钢铁研究总院分析测试研究所

2006年10月15日
论文纲要
前言
试验材料与方法
试验结果与分析
结论
前言
在大型工程构件设计中,韧性是钢的重要性能指标,抗脆断设计是钢构件安全的重要保证.根据断裂力学,构件是否发生断裂破坏,决定于构件中的缺陷或裂纹长度,构件的应力状态和材料的断裂韧度.材料的断裂韧度一直是结构设计,材料选择,失效分析和缺陷评定的重要依据.汽轮机缸体做为汽轮机的重要组成部分,其长期在高压(主蒸汽压大于22.1MPa),高温(593℃)条件下工作,其受力情况很复杂,工作时,它除了要承受本身和装在其内部的零部件的重量及内外压差产生的作用力外,还要承受用沿缸体轴向和径向温度分布不均匀而产生的热应力.而且受汽轮机的高压转子的影响,有时会有蒸汽振荡情况发生,汽轮机缸体会不可避免产生较高频率的振动,因此,研究其高温长期时效后的冲击韧性及动态断裂性能是极为重要的.本文通过研究其工作条件下(593℃)下时效不同时间的冲击韧性( AK ),动态断裂韧( KId )及微观组织结构,为汽轮机缸体材料安全设计提供依据.
试验材料
试验材料为汽轮机缸体用钢,通过化学分析方法,所得试验材料是经过淬火和715℃回火处理.其化学成分如下表所示.通过金相显微镜观察,其微观结构为回火索氏体,见图1.
0.035
0.62
0.55
0.40
0.006
N
Mn
Ni
Si
P
0.096
9.36
0.68
0.17
0.04
C
Cr
Mo
V
Nb
含量
元素
含量
元素
图1 试样的显微组织 ×1000
试验方法
将试样坯料置于温控加热炉中进行593℃不同时间时效处理.动态冲击试验采用尺寸为55mm×10mm×10mm的V型标准冲击试样,动态断裂韧度测试所用试样预制裂纹比a/W为0.45~0.50左右,用美国产型号为MTS-NEW810热疲劳试验机预制疲劳裂纹,在JGX-2型工具显微镜上测量裂纹长度,在nl500-1型仪器化试验机上进行动态冲击试验,该试验机的标称能量(E0)为500J,初始速度(V0)为5.4m/s..
试验结果与分析
冲击韧性(AK)的测定
动态断裂韧度(KId)及断口分析
SEM微观组织分析
冲击韧性(AK)的测定
593℃冲击韧性(AK)的数据
图2 不同时效时间的593℃冲击韧性
冲击试验结果表明,593℃条件下未时效试样的AK值为133J,经过时效2105h,4890h及5600h后,AK值基本保持不变,即试样经过593℃长期时效,冲击韧性总体说来是保持稳定的.
动态断裂韧度(KId )的测试
屈服后断裂
屈服前断裂
动态断裂韧度(KId )试验结果与分析
动态断裂韧度试验结果
593℃动态断裂韧度试验结果表明,该材料经593℃时效438h,与未时效相比,动态断裂韧度Kid 有所下降,要比未时效试样的Kid 降低8.8%左右,下降幅度不大;时效438h,时效2105h,时效5600h,材料的动态断裂韧度Kid 趋于一致,保持稳定.
KId断口侧膨胀值与剪切唇厚度测试结果
图4 Kid 断口的侧膨胀值
图5 Kid 断口的剪切唇厚度
593℃所得各不同时效时间的Kid 断口的侧膨胀值和剪切唇厚度测试结果表明,该材料经593℃时效438h,与未时效相比,Kid 断口的侧膨胀值和剪切唇厚度均有所下降,分别比未时效试样降低11.4%,7.9%左右时效438h,时效2105h,时效5600h,KId断口的侧膨胀值和剪切唇厚度趋于一致,保持稳定.
通过对断口的观察与分析,说明了在593℃时效不同时间条件下,动态断裂韧度(KId)变化趋势和侧膨胀值,剪切唇厚度变化趋势相一致.
SEM微观组织分析
图6 593℃时效不同时间试样SEM组织(晶粒内部)
(a)未时效
(d)5600h 时效
(c)2105h 时效
(b)438h 时效
SEM微观组织分析
(d)5600h时效
593℃时效不同时间试样SEM组织(晶界处)
(c)2105h时效
(b)时效438h
(a)未时效
SEM微观组织分析
SEM试验结果表明:对于未时效,438h时效,2105h时效,5600h时效各试样,碳化物均以颗粒状弥散分布于铁素体基体上,且晶界处与晶内相比,碳化物分布较密集,碳化物均呈不连续状分布于晶界上.438h时效试样与未时效试样相比,晶内与晶界处碳化物数量略有增加,部分碳化颗粒发生聚集和长大.时效2105h,5600h时效与438h时效试样显微组织相比,无论是晶内还是晶界,碳化物颗粒尺寸大小及数量差异不大,即时效438h至时效5600h,微观组织结构保持稳定.
冲击韧性(AK)与微观组织
试样在593℃时效的过程中,其微观组织发生了微小的变化(碳化物数量稍有增加,部分碳化物颗粒尺寸稍有增加),而时效后AK值与未时效相比差异不大.冲断试样所消耗的功AK包括弹性变形功,塑性变形功,裂纹形成功和裂表纹扩展功不具有明确的物理意义,它只表示,特定形状的试样在特定条件下被冲断所消耗的功,不能作为表征金属构件抵抗冲击载荷能力的韧性判据[5].在一定条件下,可以表示材料在冲击载荷作用下的缺口敏感性,即脆化趋势,只能对材料提供定性的,或趋势性的评估.本钢在593℃时效至5600h的过程中,AK值未发生明显变化,微观组织发生了微小的变化未使冲击AK值产生敏感性,时效后,AK值仍保持未时效时的较高水平.
动态断裂韧度与微观组织
在593℃试验温度下, 438h时效试样的动态断裂韧度KId较低于未时效试样的KId,这是由于微量碳化物的弥散析出,使位错运动受到障碍,增加了塑性变形抗力,同时,由于部分碳化物(第二相)尺寸变大,其与基体结合变弱,微孔更加容易开裂,从而导致动态断裂韧度略有所下降,438h时效,2105h时效及5600h时效试样的动态断裂韧度KId差异不大.5600h时效,2105h时效与438h时效试样显微组织相比,析出碳化物已很少,晶内与晶界处碳化物数量变化均不大,碳化物颗粒尺寸大小基本没有差别,微观组织基本保持稳定,由此动态断裂韧度保持稳定.
结论
1)本钢在593℃时效至5600h的过程中,AK值未发 生明显变化,微观组织发生了微小的变化未使冲击AK值产生敏感性,时效后,AK值仍保持未时效时的较高水平.
2)593℃试验温度下,438h时效试样的动态断裂韧度Kid 较低于未时效试样的Kid ,这是由于微量碳化物的弥散析出,使位错运动受到障碍,增加了塑性变形抗力,同时,由于部分碳化物(第二相)尺寸变大,其与基体结合变弱,微孔更加容易开裂,从而导致动态断裂韧度略有所下降,438h时效至5600h时效,微观组织保持稳定,材料的Kid 基本保持恒定.
谢谢!
国家标准化中心正在准备以机械标准件为依托研究的背景,开展试点研究.而基于Internet/Intranet网络环境按照ISO13584国际标准建立企业典型零部件的零件库技术及信息传输接口开发等方面的研究在国外尚处于起步阶段,而国内对此几乎还没有涉及.
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