S31042奥氏体耐热钢组织性能优化研究

论文摘要

本文利用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射分析等测试方法,通过固溶处理试验、长时时效试验和力学性能试验等试验方法,优化了S31042钢的固溶工艺；系统研究了S31042钢在高温下的组织演变规律及其对力学性能的影响,讨论了S31042钢的强化机理；根据强化机理对其成分进行优化,得到了优化的成分范围。获得的主要结果如下：相对于保温时间,固溶温度对S31042钢的微观组织和力学性能影响更为显著。随着固溶温度的升高,S31042钢中一次富铌析出相的尺寸、数量均减小,强度逐渐降低,塑性略有升高。不同固溶工艺处理后进行700℃长期时效试验,随初始固溶温度升高和保温的延长,时效态钢中析出的细小第二相的数量明显增多,强度指标明显上升,提高固溶温度延长保温时间有利于S31042钢的长期时效态性能。S31042钢固溶态时主要有未溶解的一次Z相和MX相,尺寸在100～800nm。高温长时时效过程中的析出相有M23C6相、Z相、MX相、σ相和M6C相,得到了S31042钢在650、700和750℃时效过程中第二相的析出序列。高温时效后,M23C6相主要在晶界上析出,少量分布在孪晶界及晶内。随着时效时间的增加,晶界上的M23C6相由分散细小的颗粒状逐渐长大成连续的链状,再逐渐演变为大块的断续分布的颗粒状。晶界处M23C6相的长大规律符合Ostwald熟化机制,得到了在650、700℃和750℃的动力学长大方程。Z相主要在晶内析出,长时时效过程中尺寸和形态的变化都很小,尺寸一直在100nm以下,在钢中稳定存在。Z相的形成主要受Nb元素的扩散控制。σ相易在晶内的M23C6相上形核析出,也有在晶内单独析出,700℃时效超过3,000h,晶内发现σ相与M23C6相的复合析出,在750℃300h时效态就发现了类似的现象,时效温度升高促进σ相的析出。M6C相在750℃6,000h和10,000h长时时效后被发现,可能由M23C6相转化而来。时效温度对析出相的析出行为影响显著。随时效温度的升高,M23C6相的析出速率和粗化速率均明显升高,形貌演变也明显加快。时效温度对Z相的粗化速率影响较小,长时时效过程中,其尺寸和形貌随时效温度变化很小,但析出速率随时效温度的升高显著加快。高温应力对M23C6相的影响不明显,其演变过程与无应力时效态基本一致。应力对Z相的影响较为显著,应力作用下位错运动受到Z相的阻碍,在Z相周围形成位错塞积,而新的Z相又容易在位错处形核析出,形成团簇状析出,与位错缠绕在一起。S31042钢时效过程中的性能变化与析出相的演变密切相关。700和750℃时效过程中出现了过时效现象,750℃时效超过300h后高温屈服强度明显下降,700℃时效超过6,000h略有下降,时效温度升高使硬度和高温屈服强度的峰值提前出现,时效温度升高使M23C6相颗粒长大速度增大,强化效果快速降低或者失去,是出现过时效的主要原因。冲击韧性在时效初期迅速下降,时效时间超过1,000h,不同温度时效下冲击韧性的变化略有不同,650℃时效冲击韧性一直下降,700℃时效保持平稳,750℃出现上升趋势,这种差异主要是由于晶界处M23C6相形貌的影响。S31042钢持久寿命不随铌含量的增加而单调增长。含0.40%Nb试验钢的持久性能最好。对S31042钢进行成分优化,降低碳、硅含量,加入少量钒及微量硼元素,优化成分后的S31042钢持久强度明显升高,700℃下10万小时持久强度外推值达到80.1Mpa,比优化前高出约30%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 电站用锅炉钢的发展历程
• 1.2.1 铁素体型耐热钢的发展历程
• 1.2.2 奥氏体型耐热钢的发展历程
• 1.2.3 更高蒸汽参数下镍基高温合金的发展
• 1.3 奥氏体耐热钢的强化机理
• 1.3.1 固溶强化
• 1.3.2 析出相强化
• 1.3.3 位错强化
• 1.3.4 晶粒细化
• 1.3.5 其它元素作用
• 1.4 奥氏体钢中的析出相
• 1.4.1 碳化物和氮化物
• 1.4.2 金属间化合物
• 1.5 S31042钢的研究现状及存在的主要问题
• 1.5.1 S31042钢的抗腐蚀性能
• 1.5.2 S31042钢的力学性能
• 1.5.3 S31042钢的组织稳定性
• 1.5.4 S31042钢存在的问题
• 1.6 博士论文研究的主要内容和意义
• 第2章 试验材料及试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 热处理制度
• 2.2.1 固溶工艺优化研究试验
• 2.2.2 组织稳定性研究长时时效试验
• 2.2.3 化学成分优化长时时效试验
• 2.3 力学性能的试样制备及测试
• 2.4 样品的分析技术
• 2.4.1 显微组织观察
• 2.4.2 化学相分析
• 2.5 热力学软件计算
• 2.6 本章小结
• 第3章 S31042钢固溶工艺优化研究
• 3.1 试验材料与方法
• 3.2 固溶工艺对固溶态力学性能的影响
• 3.2.1 固溶工艺对S31042钢固溶态硬度的影响
• 3.2.2 固溶工艺对S31042钢室温拉伸性能的影响
• 3.2.3 固溶工艺对S31042钢700℃短时拉伸性能的影响
• 3.3 固溶工艺对固溶态微观组织的影响
• 3.4 固溶工艺对富铌相的影响
• 3.5 固溶工艺对时效态力学性能的影响
• 3.6 固溶工艺对时效态组织的影响
• 3.7 讨论
• 3.7.1 S31042钢中Nb、N固溶度积的计算及应用
• 3.7.2 固溶工艺对时效态力学性能影响的分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 S31042钢的组织稳定性研究
• 4.1 试验材料及方法
• 4.2 S31042钢的平衡相图计算
• 4.2.1 相平衡计算及其热力学模型
• 4.2.2 S31042钢中的基本相
• 4.3 700℃长时时效过程中微观组织的演变
• 4.3.1 随时效时间钢中第二相种类的变化
• 4.3.2 晶界析出相的演变
• 4.3.3 晶内析出相的演变
• 4.4 时效温度对组织演变的影响
• 4.4.1 时效温度对析出相种类的影响
• 4.4.2 时效温度对析出相形貌的影响
• 4.5 析出相的尺寸变化规律
• 4.6 析出相含量及成分的变化
• 4.6.1 析出相总量
• 23C₆相'>4.6.2 M₂₃C₆相
• 4.6.3 Z相和Nb（C、N）
• 4.7 高温应力下的组织演变
• 4.8 讨论
• 4.8.1 S31042钢中析出相的析出序列
• 4.8.2 长时时效过程中S31042钢组织演变模型
• 4.8.3 析出相的熟化规律分析
• 4.8.4 温度和应力对S31042钢组织演变的影响
• 4.9 本章小结
• 第5章 时效过程中的性能变化和机理
• 5.1 试验材料和方法
• 5.2 高温长时时效后S31042钢的硬度
• 5.3 高温长时时效后S31042钢的高温拉伸性能
• 5.4 高温长时时效后S31042钢的冲击韧性
• 5.5 讨论
• 5.5.1 时效过程中高温拉伸屈服强度变化的机理
• 5.5.2 冲击韧性变化与晶界M23C6相演变的关系
• 5.5.3 S31042钢的强化和弱化机理
• 5.6 本章小结
• 第6章 S31042钢化学成分优化研究
• 6.1 试验材料
• 6.2 铌含量对组织及性能的影响
• 6.2.1 铌含量对固溶态性能的影响
• 6.2.2 铌含量对时效态性能的影响
• 6.2.3 铌含量对持久性能的影响
• 6.2.4 铌含量对析出相的影响
• 6.2.5 铌含量对持久性能影响的分析
• 6.3 优化型试验钢碳含量对组织及性能的影响
• 6.3.1 优化型S31042钢的设计
• 6.3.2 碳含量对固溶态性能的影响
• 6.3.3 碳含量对时效态性能的影响
• 6.3.4 碳含量对持久性能的影响
• 6.3.5 碳含量对析出相的影响
• 6.3.6 碳含量对力学性能的影响分析
• 6.4 成分优化对S31042钢持久性能的影响
• 6.4.1 成分优化前后持久强度对比
• 6.4.2 成分优化对持久强度的影响分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 全文结论
• 论文创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间承担的科研任务及主要成果
• 作者从事科学研究和学习经历的简历