珠光体耐热钢在高温时效中的材料弱化.pdf

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1、第15卷 第2期2 0 0 7年4月材 料 科 学 与 工 艺MATER I ALS SCIENCE&TECHNOLOGYVol115No12Apr.,2007珠光体耐热钢在高温时效中的材料弱化杨瑞成1,2,赵庆权1,吕学飞1,王 晖1(1.兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃 兰州730050,E2mail:)摘 要:采用了11种实验室模拟工艺(650750、115873 h),利用TEM、SEM、OM等考察了珠光体耐热钢12Cr1MoV高温长时间加热后成分、组织结构与性能的变化.研究表明,试验用钢在高温时效后其组织结构明显退化,固溶体内合金元素Cr、Mo、V严重贫

2、化(其中Mo的降幅为2/3),发生晶粒长大(70%),碳化物向晶界的聚集粗化,以及相变位错密度显著降低和位错胞尺寸变大及消散等,同时基体硬度下降30%.多层次结构综合分析表明,12Cr1MoV耐热钢高温时效中,由于组织结构的退化,引起其性能的劣化,导致材料的弱化(老化).关键词:耐热钢;珠光体;时效;退化中图分类号:TG14211;TG142173文献标识码:A文章编号:1005-0299(2007)02-0221-04Material weaken ing of pearlitic heat2resistantsteel during high temperature agingYANG R

3、ui2cheng1,2,ZHAO Qing2quan1,LU Xue2fei1,WANG Hui1(1.State KeyLaboratory of Gansu Advanced Non2ferrousMetalMaterials,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China,E2mail:)Abstract:The variation of compositions,microstructures and properties of pearlitic heat resistant steal12Cr1MoV after elev

4、ated temperature2long term heating,with eleven kinds of experimental simulation proces2ses(650750and 115873 h),has been examined bymeans of TEM,SEM and OM,etc.It is con2cluded that,after high2temperature aging,the microstructure of the tested material degrades obviously,thealloy elements(Mo、Cr、V)in

5、solid solution are diluted deeply(variation ofMo,about 2/3),its grainsgrow considerably(70%),carbides coarsen and aggregate toward grain boundaries,the density of phasetransformation dislocation reduces greatly and size of dislocation cells increases then disappears progressive2ly.Meanwhile,the hard

6、ness of the tested material matix reduces(about 30%).The analysis shows that,during high temperature aging,the materialweakening of the tested heat2resistant steel 12Cr MoV is contribu2ted to itsmicrostructure degeneration which causes itsmechanical property to deteriorate.Key words:heat resistant s

7、teel;pearlite;aging;degeneration收稿日期:2005-02-21.基金项目:甘肃省自然科学基金资助项目(ZS001-A22-046-C).作者简介:杨瑞成(1946-),男,教授,博士生导师.近年,国际材料界的一个明显趋势是不仅强调材料的基本性能(或称固有性能),更要强调其使用性能(或称服役性能);不仅重视其在标准条件下或实验室条件下的材料行为与性能(多系室温、空气介质和常压的条件或某种规定的特殊条件),更重视其在复杂环境和各种力学负荷、热负荷和环境介质(负荷)1,2下的实际材料行为与性能.12Cr1MoV是一种在热电、热工等行业应用广泛的珠光体型耐热钢,多年的使

8、用经验及近年的研究表明38,珠光体型耐热钢制构件(如锅炉管道)在高温运行过程中(其额定寿命达10年)是会发生“老化”的,性能变坏,甚至导致爆管等严重事故.考虑到实际运行条件的复杂性和科学取样的困难,以及在材料的老化问题上应力和温度-时间这两大影响因素之中,后者是主要的.故本文采用实验室模拟的方法,突出温度-时间对材料内部成分、组织结构及性能的影响,综合考察其高温时效中的材料弱化问题.1 试验材料与方法试样直接取自12Cr1MoV的管材,经化学分析其成分为01095C-110Cr-0131Mo-0122V及0137Si-0155Mn-01026S-01022P.当同时考虑温度T、时间t这两个热强

9、参数的影响,采用Larson-Miller参数P=T(c+logt)来设计实验方案.参照锅炉管道等热管惯常额定寿命(如580 运行105h)设计P值范围(具体为2000022687共11个级别),其中P参数中的C值已由本工作确定9,10,那么设定高温时效温度分别为650、670、690、710、730 及750(均低于此钢的Ac1点),即可按不同P值求得相应的时效时间(115873 h).用MeF3光镜及S-520扫描电镜观察耐热钢 的 显 微 组 织,用EDAX9100能 谱 仪 分 析12Cr1MoV钢基体的Cr、Mo、V及Fe含量.位错及亚结构分析在日立H-600透射电镜上进行,并在S-

10、520扫描电镜上用定量金相法测量晶粒尺寸、碳化物数量及尺寸等,并测量钢基体的显微硬度与宏观硬度.2 实验结果211 基体成分的变化12Cr1 MoV经高温长时间时效处理后的Fe及合金元素在晶粒中心、1/2半径处及晶界附近的含量见图1.图112Cr1MoV高温时效中的化学成分变化212 组织结构的变化图2为高温时效前后的金相组织及晶粒大小情况.图3为原始状态以及时效状态位错及亚结构等情况.表1为不同P值时各种类型组织结构单元尺寸的变化情况.表2为碳化物的金相观察结果.213 力学性能的变化不同温度、时间时效后基体的硬度(HV)值随P参数的变化规律见图4.铁素体基体晶粒不同部位的显微硬度(HV01

11、05)分布见表3.3 分析讨论31112Cr1M oV高温长时间热负荷下的响应1)能谱分析表明,本试验用钢在时效过程中合金元素由晶内向晶粒边缘及晶界富集,如P=20000时铬从晶粒中心的11150%上升到晶界附近的11630%,钼从01130%到01250%,钒从01118%到01207%.而且,随着高温长时间持续,合金元素在相应地点的含量均不断下降,如在晶粒中心,铬从最初的11150%下降到01837%(约降1/3),Mo从01130%下降到01040%(下降了2/3),V则从01118%变为01080%(约降1/3).其他地点也有类似的情况,而且浓度下降的幅度Mo CrV.其结果一方面造成

12、随P值增大固溶体内合金元素的浓度持续下降,即发生合金元素的贫化现象;另一方面,合金元素及碳分由晶内向晶界富集并导致碳化物的晶界沉淀及数量增多.222材 料 科 学 与 工 艺 第15卷 表1 各种组织结构单元特征尺寸的变化P铁素体(F)/m珠光体团块/m碳化物颗粒/m位错胞或位错网络/m015.345.2110.32000015.974.771.52.00.52100017.594.1532154820.053.862185322.123.460.51.02200022.932.1703.542268725.60050.20.3表2 不同P值12Cr1M oV钢放大400倍的视场内碳化物的变化

13、情况P值碳化物的数量/个碳化物的大小/m碳化物的形态碳化物的分布原始样712110颗粒状晶内,少数在晶界20000510115210颗粒状晶内与晶界2100048310颗粒状,链状晶内与晶界2200037315410链状,断续网状晶界,少数在晶内2268824510基本为网状晶界图412Cr1MoV高温时效P参数与硬度的关系表312Cr1M oV钢铁素体晶粒内各处的显微硬度P值试样编号显微硬度(HV)晶粒中心1/2半径处晶界附近2000069-11971120515223192100069-21951020610232102185367-369-371-273-475-118712185141

14、86101831718210200111981719810191132021020215207192041420210206132200073-275-21801517513197111841120310186172268873-31661017110189102)由于温度和时间的共同作用,12Cr1MoV的组织结构也发生了相应的变化.主要有珠光体团块(尺寸约为5m)的逐渐溶解、团块形状变得模糊,直至P22000团块完全消散,由原来的铁素体+珠光体团块的组织形态变成铁素体+碳化物的组织形态.与此同时,铁素体晶粒持续长大,从原始态的15134m长大到25160m(表1、图2).并发生了碳化物的重

15、新分布与数量变化(表2),最终绝大部分碳化物集中在晶界上呈链状、长条状,甚至构成不完整网络状(图2(c).再有,透射电镜分析表明(图3),12Cr1MoV钢在F+P转变过程中产生的相变位错在随后的回火及高温时效过程中发生位错数量及组态的复杂变化.其相变位错的回复过程首先是杂乱位错运动、交互作用,缠结成位错胞结构,然后位错密度进一步降低、胞尺寸变大、胞壁模糊乃至胞结构消散,最终形成低密度的线状位错分布以及它们结成的比较稳定的部分网络.3)在高温时效后,随着温度-时间综合热强参数(P值)的加大,试验用钢12Cr1MoV的力学性能下降,其基体强度不断降低,降幅可达30%(表3和图4).312 组织结

16、构退化、性能劣化与材料老化实验用材正火回火态(即原始接受态,也是待使用状态)的基体硬度为21312 HV,经长期时效后(P=22687)下降为16319 HV,降幅达30%,硬度强度显著降低,基体明显弱化.从成分上看,能谱分析结果表明,原始状态的基体(相)是合金元素和碳的过饱和固溶体,高温时效后,铬、钒的含量下降了1/3,钼下降了2/3(最甚).它们都是强化铁素体的元素(尤以钼效果显著),但是随着高温长时间保温过程中Cr、Mo、V的贫化与脱溶,它们对于相基体的固溶强化作用衰退,基体逐渐受到削弱.从显微组织上看,由晶粒尺寸(d)与屈服应力(y)的Hall-Petch关系:y=0+kyd-12,高

17、温时效后随着基体相晶粒粗化(长大近70%),322第2期杨瑞成,等:珠光体耐热钢在高温时效中的材料弱化强度下降.低碳低合金钢中的部分珠光体也对强度有此贡献(如对抗拉强度的贡献约为3815P%,MPa).碳化物在基体上的弥散分布是除固溶强化外耐热钢的又一个主要强化手段.对于12Cr1MoV钢,在高温时效后的加热初期随着团块状珠光体的不断溶解及过饱和固溶体的析出,会呈现细小碳化物在基体上的弥散分布状态,但这大体上与基体内合金元素贫化所产生的弱化作用相抵.随后即是碳化物的球化和粗化过程,普通低合金钢很难长期保持碳化物的弥散强化效果,而且一旦出现晶内碳化物向晶界的转移、聚集并呈链串或网络状分布(图2(

18、c),则强度和材料韧性均会严重恶化.再从位错与亚结构层次上,晶体缺陷尤其位错对材料起增强作用,可由流变应力=0+Gb12(为平均位错密度,G为切变模量,b为位错强度,为一系数)或由=0+kd-1(d为位错胞尺寸)确定.无论依据哪一种关系,本工作均观察到12Cr1MoV钢高温时效中相变位错密度的明显降低,以及初始形成的胞结构在进一步回火中尺寸变大(从小于015m到约1m)、胞壁位错数量减少,直至胞结构消散,变成线状位错及交叉连接的网络(图3),至此位错密度与亚结构的强化作用已几近完全丧失.综上所述,具有Cr、Mo、V元素过饱和固溶体和团块状珠光体,以及较多相变位错缠结的基体上分布较细小弥散碳化物

19、的12Cr1MoV原始状态,经过本试验的高温长时间的时效,演变为合金元素大大贫化、位错强化效应丧失以及晶粒明显长大,尤其碳化物粗化和晶界上聚集的状态,即发生了组织结构的退化,材料处于“老化”状态.这一变化过程必然导致材料性能的严重恶化(性能劣化),其结果在实际工况下(如锅炉高温高压蒸汽等)高温运行中过早形成蠕变空洞和裂纹,严重降低热力管道的使用寿命.总之,12Cr1MoV在高温时效中,由于组织(结构)的退化,引起其性能的劣化,导致了材料的弱化(老化).4 结 论1)耐热钢12Cr1MoV在高温长时间加热后,其组织结构明显退化.主要是固溶体内发生合金元素Cr、Mo、V的贫化,其中Mo元素含量下降

20、为不到原来的1/3;与此同时,发生明显的晶粒长大(约70%)和晶内碳化物向晶界的转移、粗化及聚集现象;还发生了相变位错密度显著降低、位错胞结构尺寸变大乃至消散等.2)试验用耐热钢在高温时效后基体硬度降低了30%,其力学性能发生了劣化.3)多 层 次 材 料 结 构 的 综 合 分 析 表 明:12Cr1MoV珠光体耐热钢在高温时效中,由于组织结构的退化,引起其性能的劣化,导致材料的弱化(老化).参考文献:1 National Research Council.Materials Science and Engi2neering for the 1990s M.Washigon,D.C:Nati

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