第四章长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化P

第四章第四章 长期在高温条件下金属材料长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化组织结构与性能的变化珠光体的球化和碳化物聚集1、珠光体的球化定义：当温度较高时，原子的活动力增强，扩散速度增加，片状渗碳体便逐渐转变成球状，再逐渐聚集成大球团的现象。20号钢珠光体球化金相组织图（a）未球化（原始态）组织250；(b)球化后的组织5002、球化对金属材料性能的影响（1）对室温机械性能的影响 珠光体球化会使材料的室温强度降低（2）对高温机械性能的影响 珠光体球化会使材料的的蠕变极限和持久强度明显下降3、影响珠光体球化的因素温度的影响化学成分的影响应力作用的影响晶粒度的影响冷加工变形程度TbAe/o4、珠光体球化的级别球化级别的划分的依据：是以球化的组织状态和相应的机械性能来表示。20号低碳钢各球化级别相应的碳化物分析数据球化级别1 级2 级3 级4 级5 级碳化物平均尺寸（m）1.03911.09231.24321.79062.7916碳化物最大尺寸（m）1.99683.38233.87855.68487.6470碳化物面积百分比（m）0.03840.28850.59200.91761.230120 号低碳钢珠光体球化级别标准与组织特征名称球化级别)(MPab)(MPas(%)HB组织特征未球化第一级519.9347.330.0150155珠光体中的碳化物略呈片状倾向性球化第二级485.6300.229.0146150珠光体中的碳化物开始分散；珠光体形态明显轻度球化第三级456.2277.631.0121124珠光体区域中的碳化物开始分散，并开始逐渐向晶界扩散；珠光体形态尚明显中度球化第四级416.9204.133.4110122珠光体区域中的碳化物已明显分散，并已向晶界聚集；珠光体尚保留其形态完全球化第五级367.9196.235.8104107珠光体形态已消失，球状化碳化物分布在晶界及铁素体基体上，分散度较大严重球化第六级359.1188.438.899.5104晶界及铁素体上的碳化物已逐渐长大，分散度大5、材料发生球化后的恢复处理 已发生球化的钢可采用热处理的方法使之恢复原来的组织。将已发生球化的珠光体钢加热到完全变成奥氏体组织的温度（略高于900），保温一定时间（约1小时左右），由于相变与再结晶，在冷却后可得到原来的金相组织，从而消除了球化现象 石墨化1、石墨化的产生及对材料性能影响定义：是指钢中的渗碳体分解成为游离碳，并以石墨形式析出，在钢中形成石墨夹杂的一种组织转变。性能：石墨化现象的发生会使钢材性能恶化，脆性急剧增大，容易导致钢管发生脆性爆破事故。石墨化条件：高温、应力、温度（450700）反应式：CFeCFe33（石墨）组织变化过程：片状渗碳体球状渗碳体分解为石墨点长大成球逐渐发展为球状、团絮状和链状2、石墨化的级别 钢材石墨化按石墨化面积、石墨链的长度、组织特征及其机械性能，通常将石墨化分为4级：1级轻度石墨化 2级明显石墨化 3级显著石墨化 4级严重石墨化石墨化级别及其机械性能级别(%)(%)/(2cmJak弯曲角石墨化面积(%)石墨链长(m)124508090o3202103015505010050o100o3720303620620205020o70o7153060410103030o123060石墨化的级别对应的机械性能石墨化的级别对应的组织特征石墨化级别及其组织特征级 别特 征名 称图号1石墨球小，间距大，无石墨链轻度石墨化图3-3(a)2石墨球较大，比较分散，石墨链短明显石墨化图3-3(b)3石墨球呈链状，石墨链较长，或石墨聚集呈块状，石墨块较大，具有连续性显著石墨化图3-3(c)4石墨呈聚集链状或块状，石墨链长，具有连续性严重石墨化图3-3(d)石墨化评级图 (a)(b)(c)(d)(a)1级；(b)2级；(c)3级；(d)4级3、石墨化的影响因素温度、时间化学成份：铬、钛、钒、铌等防止石墨化。硅、铝、镍等却起促进石墨化。晶粒大小冷加工变形程度等存在的应力问题合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配1、合金元素的重新分配过程定义：合金元素随时间由一种组织组成物向另一种组织组成物转移的现象分配特点：固溶体中合金元素的含量逐渐减少，碳化物中合金元素含量逐渐增多，即合金元素由固溶体向碳化物转移，使固溶体中合金元素贫化。性能变化：钢的固溶强化作用显著降低，同时沉淀强化的作用也减弱，因此材料的强度、蠕变极限和持久强度下降影响因素：温度、时间、成分（特别是含碳量）、应力发生原因：合金元素原子溶入铁素体固溶体 产生晶格畸变 晶格不稳定在高温的作用下 合金元素原子从固溶体中转移到结构比较稳定的碳化物中 固溶体的贫化合金元素的重新分配过程包含两个方面：固溶体和碳化物中合金元素含量的变化，亦即碳化物成分的变化；碳化物结构类型、数量和分布形式的变化。2、固溶体和碳化物中合金元素成分的变化（1）低合金铬钼钢 (a)15CrMo钢 (b)12MoCr钢管道用钢碳化物中的钼质量分数与运行时间的关系12MoCr 钢长期在 510下运行时碳化物成分的变化运行条件碳化物中合金元素的量占钢中合金元素量的百分比（%）铁素体的显微硬度Hu20温度（）时间（h）MnCrMo（载荷 20g）未运行510510510未运行451419032910676510.223.127.929.111.323.618.124.02.724.241.555.316014014614312Cr1MoV钢经长期运行后碳化物成分及钢的热强性的变化运行条件碳化物中合金元素的量占钢中合金元素量的百分比（%）蠕变极限5401017(MPa)持久强度540105(MPa)温度（）时间（h）CrMoV未运行540540540未运行220655484910600013.69.420.022.024.3*45.0*57.057.069.6*90.091.093.096.7*73.668.7117.7103更正（2）低合金铬钼钒钢3、碳化物结构类型、数量和分布的变化 变化的原因：是使碳化物由亚稳定相向稳定相转变蠕变过程中碳化物结构类型的变化钢种温度（）时间（h）碳化物结构类型12MoCr未运行51010未运行90329107675CFe3（CM3）+少量CMo2。CMoCMCFe233)(为 主,37),(CMoCr及 少 量M C6为次。CMoCMCFe233)(+少量CM612Cr1MoV54054054054090000101794106000110660VCCFe3为主,372CCrCMo为次。VCCFe3为主,372CCrCMo为次。VCCFe3为主,37CCr为次,CM6少量。VCCCrCFe373为主,CMoCCr2623为次。10212Cr2MoWVTiB62062337CMCMVC37CMVC CM6MoCr1412CMCM637)(233CMCMCM623CM碳化物的形状：当晶粒内部析出细小的针状 时，钢的热强性提高；当细小的聚集粗大时，热强性降低。碳化物的分布状态：碳化物首先在晶界析出，使晶界性质发生较大的改变；当碳化物聚集在晶界上呈连续膜状时，削弱了晶界强度，从而产生蠕变裂纹，甚至造成沿晶脆性断裂。CMo2材质退化对低周疲劳特性的影响1、汽轮机转子材料的软化特性运行140,000小时的汽轮机高、中压转子的软化2、硬度与低周疲劳特性之间的关系2121ffpetNCNC21101HVC431HV24321210fHVfHVtNCNTimo曲线 曲线 30Cr2MoV钢曲线 MP2材质退化对蠕变特性的影响)log20)(273(rtTP 转子的运行温度和断裂时间仍然可以用Larson-Miller参数P描述：Larson-Miller参数P与HV存在有下述关系：)()(BHVAP2321)(loglog)(AAAA2321)(loglog)(BBBB1、硬度与蠕变断裂特性之间的关系不同硬度下的Cr-Mo-V转子钢的蠕变断裂曲线2、硬度与最小蠕变速率之间的关系 最小蠕变速度与蠕变断裂寿命之间的关系可以用MonkmanGrant经验公式描述：ocrCmtloglog)()(273120logBHVATtr)()(2731201logBHVATCmocCr-Mo-V转子钢的MonkmanGrant关系Cr-Mo-V转子钢最小蠕变速度 和硬度HV的关系曲线c