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高铬马氏体耐热钢组织老化、性能退化及剩余寿命评估

杨旭  
【摘要】:高铬马氏体耐热钢广泛应用于超(超)临界机组的过热管道、再热管道等关键部件。在长时服役过程中,管道经受高温和高压等极端条件的耦合作用,导致其发生不同程度的组织老化以及性能退化,为机组的安全运行带来隐患,但是现阶段并没有完善的方法能够在线无损评估管道的老化状态及预测剩余寿命。此外,由于大部分超(超)临界机组运行时间较短,使得老化试样稀缺,对于材料发生组织演化的机制并未完全探明。本文旨在利用加速老化的方法系统的研究超(超)临界机组用新型马氏体耐热钢服役过程中P91和P92的组织老化及性能退化规律,建立仅需通过室温硬度即可无损、便捷、快速的预测P91钢和P92钢在任意服役条件下的剩余持久寿命及其老化组织特征。首先,从P91钢和P92钢的合金热动力学出发,建立了P91钢和P92钢经高温短时时效的加速老化方法来等效模拟其在实际工况下经历低温长时形成的具有不同老化特征的组织和力学性能,获得老化样品以备后续实验研究,并对加速老化方法的可靠性进行了验证。实验结果表明:P91钢经790oC时效再加后续620oC时效加速老化和P92钢经800oC时效再加后续650oC时效的加速老化,均能在短时内快速获得与实际工况下长时服役后相近或相同的组织和性能特征。P91钢和P92钢在老化初期,板条内部大量异号位错通过滑移和攀移发生回复湮灭,马氏体板条通过“Y”型板条界移动和平行板条界消失发生粗化,并有初始的亚晶晶核形成,P91钢和P92钢的力学性能发生了明显的退化,硬度和室温/高温强度均发生了快速降低。在老化中期和后期,大量的等轴状亚晶粒形成完全替代了马氏体板条,并会进一步以合并机制发生长大形成再结晶晶核。再结晶晶核仍以合并机制继续长大占据整个原奥氏体晶粒,然后以弓出机制长大使得基体发生大面积的再结晶导致最终组织完全转变为无畸变的大块铁素体组织。这一过程会导致材料的硬度和拉伸强度进一步降低,但是降低程度逐渐趋缓。P91钢和P92钢的组织演变可主要分为五个老化阶段:(I)位错回复湮灭阶段;(Ⅱ)马氏体板条粗化和亚晶形核阶段;(Ⅲ)大量等轴状亚晶形成阶段;(Ⅳ)亚晶长大阶段;(V)再结晶晶粒形成和长大阶段。P91钢和P92钢中M_(23)C_6碳化物在发生Ostwald熟化过程中均服从1/4次方规律,其控制机制为溶质在晶界上的扩散。P92钢中的M_(23)C_6碳化物相比于P91钢具有更低的熟化速率,这是由于P92钢中M_(23)C_6碳化物析出长大后与界面保持共格关系具有较低的界面能以及W降低了溶质原子的迁移速率造成的。此外,M_(23)C_6碳化物经过熟化后对材料的析出强化作用有限,尤其是当P91钢经790oC时效800 h和P92钢经800oC时效1000 h后,其析出强化作用仅约13 MPa。Laves相会优先在M_(23)C_6碳化物附近析出或单独以与晶粒保持共格的方式形核析出并以非共格的方式向相邻晶粒内部长大,并出现明显的“团簇”现象。Laves相在不断长大过程中溶质元素会发生迁移,长期时效后P91钢中的Laves相Mo元素含量明显升高,而P92钢中W元素含量发生了显著升高。Laves相平均尺寸和含量的升高可使得韧性急速的降低。Laves相因较高的熟化速率、“团簇”析出方式以及依附M_(23)C_6碳化物析出的Laves相与碳化物合并成为尺寸很大的析出相,均会促进脆性断裂发生,恶化材料的冲击韧性。不同老化组织的持久实验结果表明:组织老化会导致P91钢和P92钢的持久性能明显下降,特别是大量位错的回复湮灭和马氏体板条的迁移会显著降低材料的持久性能。同时等温线外推法中参数A的对数和B的对数与材料的高温抗拉强度有很好的线性关系,老化材料的室温硬度也与其高温抗拉强度有很好的线性关系。因此建立了以高温抗拉强度为桥梁,仅需利用室温硬度的检测即可无损、快速、准确的预测超(超)临界机组用P91和P92管道任意老化状态在任意服役温度(550-650oC)和应力条件下材料剩余持久寿命的评估方法。这种剩余寿命评估方法能够实时定量的表征材料组织老化程度对蠕变性能的影响,可有效的避免因未考虑组织演变而对材料剩余蠕变寿命的过估。此外,基于室温硬度-组织老化-剩余寿命关系的对应性,实现利用室温硬度即可评估材料的老化状态。


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