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钢的显微组织形态与室温力学性能的关系

发表时间:2017-02-03    点击次数:3803    关键词:拉伸试验机    相关产品:岛津拉力试验机(立式)
        1 0 2钢(1 2 C r 2MoWVT i B 钢) 是我国2 0世纪6 0年代自行研制成功的一种低碳低合金多组元强化的新型贝氏体热强钢,它具有良好的高温性能、较好的抗氧化性能和高温热稳定性能,是优良的再热器和过热器管用材。 1 0 2钢管材的原始组织具有多种组织形态,基本包括三种类型:① 晶粒较粗大、晶内贝氏体取向明显的回火贝氏体组织,这是推荐的标准组织, 以下简称粗大组织;② 晶粒细小、贝氏体取向不明显的组织,这是由于热处理淬火温度不够高造成的低淬透组织,以下简称细小组织;③ 晶粒度差别较大的混晶组织,以下简称混晶组织。 在实际使用过程中后两类组织形态所占的比例很大,其中细小组织更普遍,其组织老化速度很快,短时室温及高温强度指标以及持久强度指标很低。 以上三种组织形态均为正常组织形态,混晶组织是由于原始材料的不均匀或热处理不当造成的。
        在对1 0 2钢的日常检验工作中,金相检验和室温力学性能试验是较简单和快捷的方式。 对于1 0 2钢的组织老化评定没有专门的评级标准,仅能参照
DL / T8 8 4-2 0 0 4《 火电厂金相检验与评定技术导则》中规定的非珠光体钢的组织老化评定进行老化评级;抗拉强度测试依据 GB5 3 1 0-2 0 0 8 《 高压锅炉用无缝钢管》,标准要求1 0 2钢的抗拉强度为5 4 0~7 3 5N /mm 2,硬度测试依据 DL / T4 3 8-2 0 0 9《火力发电厂金属技术监督规程》,标准要求1 0 2钢的硬度为1 5 0~2 2 0HB。关于1 0 2钢的组织和性能许多学者已进行了研究,但关于1 0 2钢在实际使用过程中其组织形态的变化与室温力学性能的关系研究的报道较少。因此笔者收集了典型的1 0 2钢正常和老化组织形态的试样,分别对其进行金相、室温拉伸和硬度试验,研究不同组织形态与室温力学性能的关系,希望能给102钢的日常检验工作提供一些借鉴。
        试样制备与试验方法
        选取某电厂若干组1 0 2钢原材料以及1 0 2钢的受热面割管试样,分别制备正常组织形态的试样和老化组织形态的试样。 割管试样的运行温度约
5 5 0℃,运行时间约1×1 0 5h。
        横向截取若干段长约3 0mm 的管样,经粗磨、细磨、抛光和体积分数为4%的硝酸酒精溶液侵蚀后,在Z E I S SA x i o v e r t4 0MAT光学显微镜下进行观察;纵向截取长约3 0 0mm、宽约1 0mm的非标准拉伸试样,在 WE  3 0液压万能材料试验机上进行拉伸试验;取金相观察后的试样在 HW1 8 7.5型布洛维硬度计上进行硬度检验。
        试验前已用光谱仪对试验材料进行了材质复核,其化学成分(质量分数) 为0.0 8%~0.1 5%C,0 . 4 5%~0.6 5%Mn,0.4 5%~0.7 5%S i ,1.6 0%~2.1 0%C r ,0.5 0%~0.6 5%Mo,0.2 8%~0.4 2%V,0.0 8%~0.1 8%T i ,≤0.0 0 8%B,0.3 0%~0.5 5%W,≤0. 0 3 5%S和≤0. 0 3 5%P,符合 GB5 3 1 0-2 0 0 8对1 0 2钢的要求。
        试验结果
        1、三种正常组织形态的1 0 2钢的室温力学性能试验
        1.1 粗大组织
        观察若干组试样的显微组织,选取有代表性的粗大组织的显微形貌见图1,可见贝氏体位向明显,晶粒粗大。 对应这种组织形态的试样的抗拉强度均
在6 5 0N /mm 2 以上,硬度偏向标准规定的1 5 0~2 2 0HB的上限,在1 9 0HB以上。
        1.2 细小组织
        细小组织的显微形貌见图2,可见晶粒细小、贝氏体取向不明显。 对应这种组织形态的试样的抗拉强度均在6 5 0N /mm 2 左右,硬度偏向标准规定的
1 5 0~2 2 0HB的上限,约在(2 0 0±1 0) HB。
        1.3 混晶组织
        混晶组织的显微形貌见图3,可见图中晶粒的晶粒度差别较大。 对应这种组织形态的试样的抗拉强度均在6 2 0N /mm 2 以上,硬度偏向标准规定的
1 5 0~2 2 0HB的上限,约为2 0 0HB。
        以上三类典型组织均为1 0 2钢的正常组织形态,对应试样的室温抗拉强度均处在较高水平,硬度均偏向标准规定的1 5 0~2 2 0HB的上限。
        2、老化组织形态的1 0 2钢的室温力学性能试验
        2.1 老化的粗大组织
        选取两个具有老化粗大组织的试样观察其显微形貌,见图4和5。依据DL / T8 8 4-2 0 0 4对图4和5所示的组织形态进行老化评级,图4评为2级,图5评为4级。两试样的室温抗拉强度分别约为6 3 0和5 8 0N /mm 2。 与原始材料的组织相比,老化2级的贝氏体组织的晶界碳化物开始聚集,晶内碳化物开始析出
并有少量聚集;老化4级的贝氏体组织的晶界碳化物明显长大并呈现链状,晶内碳化物有明显的聚集长大。 通过硬度检验可知,具有图4所示组织的试样的硬度约在1 9 0HB左右,具有图5所示组织的试样的硬度约在1 6 0HB左右。 DL / T8 8 4-2 0 0 4对组织的老化级别共分为5级,当组织老化级别达到5级时,组织已严重老化,贝氏体组织形态完全消失,其力学性能也将低于标准下限。
        2.2 老化的细小组织
        选取两个具有老化细小组织的试样观察其显微形貌,见图6和7。依据DL / T8 8 4-2 0 0 4,图6所示组织的老化级别评为2级,图7所示组织的老化级别评为4级。两试样的室温抗拉强度分别为6 1 0和5 8 0N /mm 2。与原始材料的组织相比,老化2级的贝氏体组织的晶界碳化物开始少量聚集;老化4级的贝氏体组织的晶界处聚集了大量球化组织并呈现链状,晶内碳化物有明显的聚集长大。 通过硬度检验,具有图6所示组织的试样的硬度约在1 9 0HB左右,具有图7所示组织的试样的硬度约在1 5 5HB左右。
        分析与讨论
        1 0 2钢调质处理后的显微组织为回火贝氏体,其基本相为铁素体和碳化物(MC,M 7C 3 和 M 2 3C 6)两相组织,均匀弥散分布的 MC 相起主要强化作
用。 在长期使用过程中,组织结构的变化主要表现在碳化物类型的转变和碳化物的聚集长大,同时造成α固溶体中钼和钨等元素的逐步贫化。 在长期服役后,其组织形态的变化主要表现为晶界上碳化物的聚集和长大以及晶内碳化物的析出和聚集。1 0 2钢严重老化后其组织的变化特点主要有,M 2 3C 6 和 M 6C碳化物相对含量提高,它们在晶内和晶界上能聚集长大至4~5μm,贝氏体取向基本消失,晶界碳化物呈链状分布使晶界弱化,M 6C中合金元素主要是钼和钨,其含量增多标志着固溶强度下降。 晶内起弥散强化作用的 MC碳化物抗高温时效长大能力较强,有长大趋势,但不显著,使钢晶粒本身强度维持在一定水平上。 在长期高温下铬和钼等固溶强化元素都不断地脱溶,向碳化物转移,导致碳化物中合金元素逐渐增多;固溶体中的合金元素都会由于碳化物或金属间化合物的析出而导致贫化,引起组织不稳定,从而影响钢的热强性。
        正常1 0 2钢的三种组织形态的试样的室温抗拉强度和硬度均符合标准要求,室温抗拉强度处在较高水平上,硬度均偏向标准上限。 晶内碳化物的析出、聚集和晶界碳化物的球化、聚集及长大越严重,老化级别越高,对应的室温抗拉强度和硬度越低。1 0 2钢组织老化达到2级时,其抗拉强度和硬度比正常组织的略低,当老化达到4级时室温抗拉强度和硬度也均符合标准要求,但已接近标准下限。
        结论
        (1) 正常1 0 2钢的组织形态呈多样性,大致包括三种典型的组织形态:① 晶粒较粗大、晶内贝氏体取向明显的回火贝氏体组织;② 晶粒细小、贝氏体取向不明显的组织;③ 晶粒度差别较大的混晶组织。 具有正常组织形态的试样的室温抗拉强度均处在较高水平上,硬度偏向 DL / T4 3 8-2 0 0 9规定的1 5 0~2 2 0HB的上限。
        (2) 具备同类组织形态的1 0 2钢试样的老化级别越高,室温抗拉强度和硬度越低,组织老化达到4级时,室温抗拉强度和硬度已接近标准下限。
(资料来源于-赵永峰, 许江晓, 李世涛(河南电力试验研究院,郑州4 5 0 0 5 2))

 

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