热疲劳试验装置研制及21-4N钢热疲劳试验研究

摘要

在现有21-4N钢的生产基础上,采取添加稀土元素的微合金化技术研制开发了新型奥氏体气阀钢21-4NRE。热循环条件是气阀钢的一种常见服役条件。为了研究气阀钢热疲劳性能,本文自行设计研制了简易的热应交自约束型高温热疲劳实验装置,采用了卧式电炉,气缸水平送样,电磁阀控制水冷,数字电路中央控制系统等设计,可以在室温至900℃范围内进行实验。实验证明研制的装置结构简单,工作可靠,基本满足实验要求。 分别在室温(约25℃)至500℃、700℃和900℃的三组热循环条件下对21-4N与21-4NRE钢进行了热疲劳实验。结果表明：在热疲劳的过程中,两种样品均表现为循环软化特性,其硬度在循环初期均显著下降,随后趋于稳定。上限温度越高,在循环初期材料的硬度下降速率越快。研究结果还表明,随着上限温度的升高,21-4N钢和21-4NRE钢的裂纹萌生周期变短,其裂纹扩展速率显著增大。裂纹主要萌生于夹杂物、大块碳化物与基体界面处,而裂纹的扩展是以沿晶扩展为主、穿品扩展为辅的混合方式扩展。 分析表明,在循环上限温度为500℃时,大块夹杂物和碳化物颗粒的形态与分布是影响材料热疲劳性能的主要因素：在循环上限为700℃时,大块夹杂物和碳化物颗粒的形态与分布和高温氧化行为共同影响材料的热疲劳性能；在循环上限为900℃时,高温氧化是影响材料热疲劳性能的主要因素,应力辅助作用下的晶界脆氧机制成为裂纹尖端的主要失效机制。 稀土元素的加入具有细化品粒、改善析出碳化物颗粒的形态与分布、变质夹杂物等良好效果,能显著提高21-4N钢在循环上限温度为500℃和700℃时的热疲劳性能。而循环上限温度为900℃时稀土元素的加入对提高21-4N钢的热疲劳性能作用不大。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1奥氏体气阀钢的发展概况

1.1.1气阀钢研究现状

1.1.2 21-4N奥氏体气阀钢研究现状

1.1.3稀土在钢中的作用

1.2热疲劳的研究现状

1.2.1热疲劳实验方法

1.2.2热疲劳的影响因素

1.2.3热疲劳抗力机制

1.3本文选题

1.3.1选题意义

1.3.2主要研究内容

第二章热疲劳试验装置的研制

2.1热疲劳试验装置的结构及其设计

2.1.1加热和冷却部分

2.1.2循环运动部分

2.1.3控制部分

2.2装置的使用情况

2.2.1电炉中温度场的测量

2.2.2加热过程中温度的测定

2.2.3使用情况

2.3讨论与结语

第三章热疲劳实验的原理与方案

3.1试样的制备

3.1.1试验钢的设计成分

3.1.2试验钢工艺流程

3.1.3热疲劳试样形状设计

3.2热疲劳实验

3.2.1实验方案的设计

3.2.2热循环硬度变化

3.2.3热疲劳裂纹扩展过程研究

3.3热疲劳样品显微分析

2.8.1金相显微分析

2.8.2 SEM分析

第四章实验的结果与分析

4.1热疲劳实验

4.1.1热疲劳过程中的硬度变化

4.1.2热疲劳裂纹扩展过程

4.2热疲劳样品微观分析

4.2.1热疲劳过程中裂纹扩展形貌

4.2.2热疲劳样品的SEM观察

第五章讨论

5.1 21-4N钢热疲劳机理的研究

5.1.1热疲劳循环软化行为

5.1.2热疲劳裂纹的萌生

5.1.3热疲劳裂纹的扩展

5.2加入稀土对热疲劳性能的影响与分析

5.2.1稀土对21-4N钢显微组织的影响

5.2.2稀土对21-4N钢抗氧化性能的影响

第六章结论和展望

6.1论文主要结论

6.2后期工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间已发表的论文