新型高Cr铁素体耐热钢的相变行为研究

【摘要】：高Cr铁素体耐热钢具备优异的高温持久性能和蠕变性能、良好的热导率、低热膨胀系数和较高的性能价格比,因此已广泛用于先进火力发电站机组中的高温部件(如主蒸汽管道、过热器和再热器管道等)。此外,由于高Cr铁素体耐热钢具有出色的抗辐照性能,其还是核电站结构部件的候选材料。随着能源短缺和环境污染等问题的日益突出,提高高Cr铁素体耐热钢的耐热温度以及提高电厂热效率的研究势在必行。 作为高Cr铁素体耐热钢的代表钢种,T91钢已广泛用于火力发电站的耐热材料之中,并且已经成为开发满足更高温度要求的新型高Cr铁素体耐热钢的研究标准。基于本课题组前期对T91钢相变及强化工艺的研究,以及组织强化机理和合金化原理,开发了四种新型高Cr铁素体耐热钢。并针对新型高Cr铁素体耐热钢进行了显微组织分析和力学性能测试,以确定其是否具备优越的热强性和热稳定性,是否可成为650 oC用耐热钢的候选。为更深入的研究其相变过程和机理,组织形成与演化规律,以及探索控轧控冷的新工艺,采用高精度差分膨胀测量以及显微硬度测试等试验手段,对新型高Cr铁素体耐热钢的加热、冷却、保温及回火阶段的相变行为进行了系统研究。并在此基础上针对各阶段的相变动力学建立了相应的动力学模型。得出结论如下: (1)对自行研发的新型高Cr铁素体耐热钢进行了组织分析和力学性能测试。新型高Cr铁素体耐热钢的正火组织主要由高密度位错的马氏体板条和少量的δ-铁素体组成。回火后组织中析出大量晶内和晶界沉淀,此外位错密度有所降低,板条呈现变宽的趋势。新型高Cr铁素体耐热钢最佳热处理工艺为:1100 oC正火+750 oC回火;与传统高Cr铁素体耐热钢(如T91钢和T92钢等)相比,新型高Cr铁素体耐热钢热处理后其拉伸及屈服强度显著提高,具有更高的回火抗力,在高温回火条件下其回复及再结晶趋势更为缓慢。 (2)对新型高Cr铁素体耐热钢的连续加热过程中奥氏体相变行为及动力学进行了研究。不同的加热速率会显著影响新型高Cr铁素体耐热钢的奥氏体相变开始温度A_(c1)和结束温度A_(c3),加热速率越快,A_(c1)和A_(c3)越高,奥氏体相变被推迟到更高的温度。提高加热速度导致合金元素扩散速率的增加,从而加快了扩散控制生长的奥氏体相变的速率,缩短了相变所需时间。对连续加热过程中的奥氏体相变过程进行了基于JMAK模型的动力学建模,该模型采用位置饱和形核、扩散控制生长的相变方式,能较为精确的描述新型高Cr铁素体耐热钢的奥氏体相变行为,模型的数值拟合精度和各动力学参数的物理意义都能较好的符合实际的相变过程。随着加热速率的升高,由于奥氏体相变时间的缩短,合金元素的溶解不充分,导致奥氏体相变过程的扩散激活能Qd_由130.1kJ/mol逐渐降低为79.0 kJ/mol,相变完成之后,合金元素继续进行溶解,导致了热膨胀曲线的偏离。 (3)对T91钢和新型高Cr铁素体耐热钢奥氏体之后的冷却阶段的相变进行了系统研究,在此基础上建立了马氏体相变动力学模型,并推广到应变诱发马氏体相变的动力学研究。T91钢在奥氏体化之后的空冷过程中会析出针状M_3C沉淀相,而水冷则会抑制M_3C相的析出,而且M_3C相的析出发生于马氏体相变之前的亚稳奥氏体中,并导致了马氏体相变的分裂行为。高冷速同样抑制了新型高Cr铁素体耐热钢组织中M_3C相的析出,随着冷速的提高,组织内淬火空位和位错密度也增加,导致M_s点稍微上升,正是由于缺陷的增加提高了母相的强度,从而减缓了由切变主导的马氏体相变的长大速率。在Koistinen-Marburger模型的基础上提出了适用于新型高Cr铁素体耐热钢的马氏体相变动力学模型,对其非热激活马氏体相变特征进行了描述,模型分析表明,冷速的增加略微提高了马氏体相变的形核率,明显阻碍了马氏体相界面的移动速率,从而导致相变速率的降低。对预应力加载下的新型高Cr铁素体耐热钢的应变诱发马氏体相变进行了显微组织和相变行为研究,并建立了相变动力学模型,研究表明,预应力的存在导致了晶粒的破碎和马氏体板条的细化,通过增加晶内缺陷的方式提高了形核率,导致M_s点的提高,同时还通过对母相的强化降低了马氏体长大的界面移动速率,造成了相变速率的降低,进而导致相变时间的延长。 (4)对新型高Cr铁素体耐热钢冷却阶段的等温停留过程进行了显微组织和相变行为研究,并建立了相应的贝氏体相变模型。在550℃或400℃的等温停留导致了贝氏体相变的发生,而且等温温度越低,生成的贝氏体数量也越多,由于贝氏体的生成,导致奥氏体热稳定化现象消失,随后马氏体相变的开始温度不降反升。650℃等温的试样中没有贝氏体相变的发生,但由于原奥氏体晶界处的碳化物沉淀相的析出,同样造成了奥氏体热稳定化现象的消失。对不同等温温度的贝氏体相变过程进行了动力学建模,证明其完全符合自催化形核的不完全贝氏体相变切变机制,其模型的数值拟合精度和所确定的动力学参数均能较好的符合实际相变过程。根据建立的动力学模型可知,等温贝氏体相变的临界温度为687.5℃,低于此温度才能发生贝氏体相变,而且等温温度越低,则相变驱动力越大,生成的贝氏体越多。等温温度越低,自催化形核的数量更多,且形核激活能越低,则相变速率越大。 (5)通过显微组织观察及相变行为分析,对T91钢和新型高Cr铁素体耐热钢回火阶段的组织演化和沉淀析出规律进行了系统研究。冷却过程中析出的M_3C沉淀相会对T91钢的早期回火行为造成影响,在回火之前如果组织中存在M_3C沉淀相,会导致M_(23)C_6沉淀相的颗粒尺寸更小,且数量密度更大,且M_(23)C_6沉淀相更倾向晶内析出,但是随着回火时间的延长,M_3C沉淀相的存在对M_(23)C_6相沉淀析出的影响逐渐变得不明显。T91钢的二次回火能够细化马氏体板条组织,并增加沉淀相颗粒的数量密度以及减少其尺寸,这是因为,在一次回火阶段,析出的少量沉淀相颗粒对板条和位错造成有效钉扎,在二次回火阶段,沉淀得以充分析出,而板条宽度和位错密度依然能维持在较为理想的水平。对新型高Cr铁素体耐热钢的回火动力学研究表明,非均匀形核的M_(23)C_6沉淀相的形核位置会随着沉淀相颗粒密度的增加而减少,导致其形核率随时间而衰减,回火前期M_(23)C_6沉淀相的长大符合Zenner扩散生长模型,其长大速率与溶质原子的扩散系数相关,而随着回火的继续进行,基体中溶质浓度不断下降,导致M_(23)C_6沉淀相的长大速率明显放缓,此外,回火阶段马氏体板条的迁移速率由晶界处原子的热激活扩散所控制,随着回火时间的延长,板条宽度不断增加;对新型高Cr铁素体耐热钢应变诱发马氏体的回火过程的研究表明,应力加载后的回火试样的板条宽度更小,应力加载还导致了在回火阶段亚晶粒的出现,这是因为残余应变能的存在导致系统自由能的增加,以及回复激活能的降低,从而引起板条回复的提前出现,此外,应力加载后的回火试样组织内的沉淀相颗粒的尺寸更细小,且数量密度更高,这是由于缺陷的增加导致形核场所的增多,从而提高了第二相颗粒的形核率。