P92钢的蠕变行为研究

　第 45 卷 　第 9 期 　2 0 1 0 年 9 月 钢 铁 Iron and Steel 　Vol. 45 , No . 9 September 　2010 P92 钢的蠕变行为研究 赵 　强 , 　彭先宽 , 　丛相州 , 　安 　威 (中国电力科学研究院北京国电富通科技发展有限责任公司 , 北京 102401) 摘 　要 : 在不同温度和压力条件下完成 P92 钢的蠕变及持久试验 ,采用 SEM、TEM 研究 P92 钢的强化机制及退化 机制。持久试验外推强度同欧洲蠕变委员会公布的数据基本相同。Norton 应力指数数值 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,高应力阶段的蠕变 机制为位错蠕变。组织观察结果表明 : P92 钢的主要强化机制为位错强化及弥散强化 ,淬火得到的马氏体内部有 高密度的位错 ,板条间的碳化物 M23 C6 及弥散分布碳氮化物 MX是 P92 钢热强性高的原因。随着位错密度的降低 及析出相的粗化 ,P92 钢的高温耐热性也降低。 关键词 : P92 钢 ; 持久强度 ; Norton 应力指数 ; 强化机制 中图分类号 : T G142. 1 　　文献标志码 : A 　　文章编号 : 04492749X(2010) 0920082204 Study of Creep Behavior of P92 Steel ZHAO Qiang , 　PEN G Xian2kuan , 　CON G Xiang2zhou , 　AN Wei (Beijing Guodian Futong Science and Technology Development Co . , Ltd. , China Elect ric Power Research Institute , Beijing 102401 , China) Abstract : The creep test s were finished on different temperatures and st resses. The st rengthening and degradation mechanism were analyzed by SEM and TEM. The extrapolated creep rupture st rengths were similar to the data de2 clared by ECCC. The values of Norton st ress exponent s of high st resses creep indicate that the creep mechanism is dislocation mechanism. The result s of microst ructure investigation show that the st rengthening mechanism of P92 steel is dislocation and dispersion st rengthening. There are high density dislocations inside the martensite lath. Car2 bide M23 C6 along the martensite lath and dispersed carbonit ride MX are the reason why P92 steel have a high st rength. The heat resistance of P92 steel decreases with the decreasing dislocation density and precipitated phases coarsening. Key words : P92 steel ; creep rupture st rength ; Norton st ress exponent ; st rengthening mechanism 作者简介 : 赵　强 (1981 —) , 男 , 硕士 , 工程师 ; 　　E2mail : zhaoq @epri . sgcc. com. cn ; 　　收稿日期 : 2009211219 　　P92 钢具有很好的抗氧化性 ,很强的耐腐蚀性 , 优异的高温强度以及热物性参数 ,是中国超超临界 机组管件部件的主要应用钢种。中国对该种材料的 研究起步较晚 ,且多集中在焊接工艺方面 ,对其长期 高温的蠕变行为研究较少。本文利用 P92 钢在不 同温度和压力条件下的高温持久及蠕变试验 ,研究 了 P92 钢在高温条件下高应力阶段的蠕变及持久 特性 ,建立了 P92 钢的 Larson2Miller 持久外推曲 线。利用蠕变特性中的参数推断其蠕变及断裂机 制 ,同时利用微观组织的观察研究 P92 钢的强化机 制及强化相的特点。 1 　试验方法 试验用 P92 材料为钢锭经电炉熔化 ,真空精炼 ,底 部吹气脱氧、锻造、轧制成管材 ,管材热压成 52°弯头。 材料的化学成分 (质量分数 , %)为 :C 0112 , Cr 8188 , Mo 0. 40 , W 1. 66 , V 0. 17 , Nb 01057 ,符合 ASME A335 中对 P92 钢的规定。成型弯头的热处理工艺为 1060 ℃空冷 + 760 ℃空冷。在成型弯头背弧取横向试 样 ,按照 GB2039 加工成 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 蠕变试样 ,在 RC21150 型 高温蠕变及持久试验机上进行不同温度高温蠕变试 验。试验条件及持久寿命如表 1 所示。 表 1 　持久寿命 Table 1 　Creep rupture life 温度/ ℃ 595 595 595 595 610 610 610 610 640 670 670 640 640 应力/ MPa 225 207 190 175 190 175 160 141 141 120 100 120 134 持久寿命/ h 49 237 1 021 2 722 42 305 1 408 3 580 379 153 604 903 353 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 9 期 赵 　强等 : P92 钢的蠕变行为研究 　　取蠕变时间为3 580 h 的试样及未蠕变的试样 利用光学显微镜、ZEISS SU PRA55 扫描电镜及 J EM22100 透射电镜进行微观组织分析。 2 　试验结果与讨论 成型弯头的常温力学性能符合 ASM E A335 的 规定 ,610 ℃抗拉强度大于 330 MPa ,大于由 ASM E 规范案例 2179 中插值所得的 610 ℃抗拉强度下限 280 MPa。 2. 1 　持久强度外推 根据不同试验条件下的持久及蠕变试样的断裂 时间 ,利用多元线性回归建立 P92 钢的 Larson2 Miller 外推曲线如图 1 所示。 图 1 　Larson2Miller 曲线 Fig. 1 　Larson2Miller curve Larson2Miller 曲 线 外 推 P92 钢 在 610 ℃、 10 000 h 及 30 000 h 的持久强度分别为 136 MPa 和 118 MPa ,与欧洲蠕变委员会于 2005 年公布的上述 试验条件下的外推持久寿命 139 MPa 和 121 MPa 基本一致。 2. 2 　蠕变特性 如图 2 所示 ,发生蠕变断裂的应变量同温度变 化有关系。同一温度下 ,不同应力条件下发生蠕变 断裂的应变量也不相同 ,总的来说 ,蠕变断裂应变量 随着应力的减小而略有增加。P92 钢的蠕变特点符 合传统的蠕变模型 ,分为初始蠕变阶段 ,中间稳态蠕 变阶段及最终加速蠕变阶段。中间稳态蠕变阶段的 蠕变速率为最小蠕变速率。 不同温度下的最小蠕变速率同应力指数的关系 如图 3 所示 ,随着试验温度升高 ,Norton 应力指数 n = 5lnε·5lnσ T 逐渐减小。蠕变机制和应力的大小有 关 ,在低应力阶段 ,蠕变机制主要是通过空位的迁 图 2 　610 ℃不同应力条件下的蠕变曲线 Fig. 2 　Creep curves at 610 ℃ with different stresses 移 ,而不是位错的滑移 ,这种蠕变机制通常被称为粘 滞蠕变 ,理论上所有的粘滞蠕变机制都有 n = 1 , 图 3 中 n µ 1 表示蠕变的微观机制是位错蠕变[1 ] 。蠕 变过程主要受位错运动影响。因此 ,得到高密度的 位错是保障 P92 抗蠕变性能的重要工艺手段。 图 3 　最小蠕变速率与应力的关系 Fig. 3 　Minimum creep rate dependence of stress 2. 3 　组织特点 P92 钢中合金元素含量很高 ,大大增强了钢的 淬透性 ,在很宽的冷却速度范围内 ,P92 钢都能充分 淬火得到马氏体 ,使得其强度很高。在实际生产中 , 空冷即可满足 P92 钢淬火的条件得到全部马氏体 , 如图 4 所示。在之后的高温回火 (750～780 ℃) 过 程中 ,马氏体得到回火 ,使得韧性提高。 图 4 中不同位向的回火马氏体保证了 P92 钢在 高温运行状况下的热强性。高倍下可以看到沿晶界 及马氏体板条界分布了大量的析出物。马氏体板条 内部存在大量的高密度位错 ,位错的纠结是 P92 钢 高温性能优异的原因之一。图 5 中 TEM 下可以清 楚地观察到马氏体呈现的板条形态及沿板条界分布 的碳化物 ,以及马氏体板条内部存在的高密度位错。 ·38· © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 钢 　铁 第 45 卷 图 4 　回火马氏体( a)及沿晶界和马氏体板条界分布的析出物( b) Fig. 4 　Tempered martensite ( a) and the precipitation along the grain boundaries martensite lathes ( b) 图 5 　沿马氏体板条分布的碳化物及板条内部的位错 Fig. 5 　Carbide along martensite lath and dislocation inside the lath 　　沿板条界析出的碳化物经电子衍射斑点及能谱 分析确认为 M23 C6 (图 6) ,M23 C6 有效抑制了马氏体 板条的回复 ,提高了蠕变寿命。随着蠕变时间的增 加 ,M23 C6 逐渐粗化 ,这个过程在热力学上是自发过 程 ,M23 C6 颗粒的粗化是蠕变寿命降低的重要原因 之一。同初始态相比 (图 7 (a) ) , 蠕变 3 580 h (图 7 (b) )试样中 M23 C6 的粗化和连接容易造成应力集 中 ,引起碳化物开裂或与基体分离产生空洞或微裂 纹。细小碳化物的粗化和连接降低了碳化物的体积 份额 ,增大了蠕变速率[2 ] 。 图 6 　M23 C6 的衍射斑点(a)及能谱分析( b) Fig. 6 　Diffraction spots( a) and energy spectrum of M23 C6 ( b) 图 7 　蠕变3 508 h前后碳化物形态的对比 Fig. 7 　The comparison of carbide of the initial state (a) with creep for 3 508 h( b) ·48· © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 9 期 赵 　强等 : P92 钢的蠕变行为研究 　　依附 M23 C6 析出[3 ] 的为密排金属间化合物 Laves 相 ,衍射斑点为长程有序的复杂花样 (图 8) 的 这种金属间化合物析出对持久强度的影响目前仍不 完全清楚。Mo、W 溶入基体中通过固溶强化改善 了持久强度[4 ] 。Laves 相 ( Fe ,Cr) 2 (Mo , W) 析出减 少了基体中固溶元素 ,从而降低了钢中的固溶强化 效果[526 ] 。在某些特定的条件下 ,Laves 相析出可以 通过析出强化增加持久强度[7 ] ,但是在这种情况下 , Laves 相的粗化不能太快 ,才能保持材料的抗蠕变 性能。 图 8 　Laves 相的衍射斑点(a)及能谱分析( b) Fig. 8 　Diffraction spots( a) and energy spectrum of Laves phase( b) 　　P92 钢中的主要强化相为 MX ,主要分布在原 奥氏体晶界、板条界、板条内部等位置 (图 9) 。MX 在基体中弥散分布阻碍位错运动起到了强化的作 用。MX 的尺寸小于 10 nm ,且在蠕变过程中极其 稳定 ,粗化速率缓慢 ,它的数量和形态 决定 郑伟家庭教育讲座全集个人独资股东决定成立安全领导小组关于成立临时党支部关于注销分公司决定 了材料的 强度。MX 中的金属元素主要是 V、Ti、Nb 等微合 金元素 ,非金属元素是 C、N ,P92 钢中通过以上元素 的复合添加实现 MX 的强化作用。 图 9 　位错形态与弥散分布的 MX的形貌(a) 、MX的衍射斑点( b)及能谱分析( c) Fig. 9 　Pattern of dislocation and dispersed MX ( a) ,diffraction spots ( b) and energy spectrum ( c) 　　MX的粗化使得材料的弥散强化效果下降 ,位错 运动的障碍减少 ,抗蠕变性能下降。图 10 中马氏体 组织发生回复及 MX的显著粗化是材料热强性能丧 失的主要原因。蠕变后的试样中有沿板条界的孔洞 , 能谱分析表明 ,能谱分析表明孔洞的起源含有 N、V 的化合物 ,持久试验的断口起源为马氏体的板条界。 图 10 　蠕变断裂后位错网的消失( a)以及蠕变断裂起始裂纹( b) Fig. 10 　Disappeared dislocation net ( a) and the origin of crack after creep( b) (下转第 90 页) ·58· © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 钢 　铁 第 45 卷 分析和透射电镜试验结果也未发现渗碳体颗粒和 石墨碳。另外也说明过时效段碳原子晶界偏聚量 非常少 ,无需考虑碳原子晶界偏聚对烘烤硬化性 能的影响。 提高过时效后冷速 v3 能促进烘烤硬化性能的 提高 ,这主要和冷却过程中自由碳原子的晶界偏聚 有关。在过时效后从 400 ℃冷却到室温过程中 ,可 通过增加过时效后冷速使碳原子向晶界偏聚时间缩 短 ,这对于增加基体内固溶碳含量和烘烤硬化性能 均是有益的。 4 　结论 1) 随退火温度的增加 ,NbC 的回溶量增大 ,因 此基体内固溶碳含量和烘烤硬化性能均有所提高。 由于当 NbC 充分析出时未稳定化的碳含量越高 ,退 火时 NbC 的回溶量越少 ,因此适当的增加碳含量有 利于减小退火温度波动对烘烤硬化性能的影响。 2) 在退火温度增加的同时 ,晶粒尺寸变大 ,晶 界面积减少 , 碳原子晶界偏聚量减少 ,因此基体内 固溶碳含量和烘烤硬化性能提高。 3) 提高缓冷段冷速 v1 能减少 NbC 析出 ,从而 提高烘烤硬化性能 ;在缓冷段与过时效段之间的快 冷段冷速 v2 对烘烤硬化性能几乎没有影响 ;提高过 时效后冷速 v3 能阻止碳原子向晶界偏聚 ,从而提高 钢板的烘烤硬化性能。 4) 过时效温度从 320 ℃升高到 440 ℃没有引起 烘烤硬化性能的改变。 参考文献 : [ 1 ] 　关小军. 超低碳高强度烘烤硬化钢板[ M ] . 济南 :山东科技出 版社 ,2000. [ 2 ] 　崔岩 ,王瑞珍 ,雍岐龙 ,等. 固溶 C 对 Nb2Ti 微合金化 ULC2B H 钢板烘烤硬化性能的影响[J ] . 特殊钢 ,2009 ,30 (3) :13. [ 3 ] 　雍岐龙. 钢铁材料中的第二相 [ M ] . 北京 :冶金工业出版社 , 2006. [ 4 ] 　K De A , Cooman De , Soenen B C ,et al . Carbon Dist ribution Between Mat rix , Grain Boundaries and Dislocations in Ult ra Low Carbon Bake2Hardenable Steels[J ] . 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