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长期在高温条件下金属材料组织结构变化

日期:2009-11-2  编辑:周德聪
在室温条件下,钢材的组织比较稳定,不随时间而改变。在高温下,由于金属原子热运动,在长期工作中,金相组织会将不断发生变化,并可能导致性能改变。
钢材长期在高温条件下的组织变化主要有:珠光体球化,石墨化,合金元素重新分配。
7.1         珠光体球化
锅炉及压力容器上常用的碳素钢及低合金钢都是过共 析珠光体钢。
P中F和Fe3C均呈薄片状分布。
片状物的表面积与体积之比球状物的表面积与体积之比大,即在同样体积情况下,片状物比球状物有更大的体积。因此,片状物比球状物具有更大的表面能。根据热力学第二定律,具有较大能量的状态有自行向能量较小的状态转变的趋势。所以片状珠光体是一种不稳定的组织,其中渗碳体有自行转变成球状并聚集成大球团的趋势。这种球化过程是以扩散为基础的,当温度较高时,原子的活动能力增强,扩散速度加快,片状渗碳体逐渐转变成球状,再聚集成大球团。
球化-聚集见右图
7.1.1          球化对金属性能的影响
7.1.1.1    对室温机械性能影响
降低室温强度σs及σb
对低碳钢和低碳钼钢:
    中等程度球化,强度指标下降10-15%
    严重球化,强度指标下降20-30%
7.1.1.2    对高温机械性能影响
蠕变极限和持久强度下降
                     表 严重球化对0.5Mo钢高温强度的影响
试验温度(℃)    482   538
蠕变极限降低的百分数(%)     46    23
持久强度降低的百分数(%)     52    45
7.1.2          影响珠光体球化的因素
影响球化过程发展的主要因素是温度,时间和化学成分
珠光体球化和碳化物聚集是基于扩散的一种过程,温度对球化过程必然有很大影响。

公式   
T-绝对温度,A-物性参数,b-常数,e-自然对数底
温度升高,完全球化所需的时间便明显减少。
碳扩散速度与合金元素对碳在固溶体中扩散的影响有关。因而,凡是能形成稳定碳化物的合金元素,或进入固溶体中可降低其原子扩散系数的合金元素,均能阻止或减缓球化及其积聚过程。单纯碳钢最易球化,钛 、铌、钼、铬、钒可提高球光体稳定性。
此外,在钢的化学成分的温度相同的条件下,球化速度还与钢的晶粒度,冷加工变形度和渗碳体片大小有关。
细晶粒钢,球化时间短,总表面积大
冷加工变形度大时间短,塑性变形中的晶格畸变,导致内能增加,扩散速度加快,球化过程首先在此发生。
过小的渗碳体片缩短了扩散距离,加速球化。
7.1.3          珠光体球化的级别
分6级
未球化
   第1级
 
倾向性球化
   第2级
 
轻度球化
   第3级
 
中度球化
   第4级
 
完全球化
   第5级
 
严重球化
   第6级
 
7.1.4          材料发生球化后的恢复处理
可采用热处理恢复
例:16Mo钢的φ245×26蒸汽管道在9.8Mpa,510℃条件下运行约8*104h后,珠光体球化,碳化物聚集在晶界上,67%Mo进入碳化相中,机械性能恶化。
加热至920℃,停留1h,在炉中打开炉门冷却80-90℃/h。
7.2         石墨化
钢中渗碳体在高温长期作用下自行分解的一种现象。
Fe3C——>3Fe+C
石墨开始以细微点状出现,逐渐聚集成越来越粗的颗粒,石墨强度低,相当于在金属内部产生空穴。
7.2.1    对材料影响:
脆性急剧增大。
7.2.2    影响石墨化因素
温度 :
    高温下,是一个扩散过程
合金元素 :
    与碳结合能力强的元素均可阻止石墨化发生铬,钛,钒 ;促进石墨化,硅,铝,镍
晶粒大小:
    细晶粒钢及有加工硬化钢易发生。
7.2.3    石墨化分级
  1级
 不明显
 
  2级
 明显
 
  3级
 严重
 
  4级
 很严重
 
7.3         合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配
在高温下使合金元素原子活动能力增加,对一些起固溶强化作用的合金元素,铬,锰,钼(固溶体)脱落,转移至碳化物中。
固溶体引起晶格畸变从而起到强化作用,畸变晶格不稳定,在高温下就有向较稳定的碳化物中转移的趋势。
(固溶体和碳化物中)合金元素成分的变化及对高温机械性能影响:
常用珠光体热强钢 :(1)铬钼低合金钢(2)铬钼钒低合金钢
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