高氮奥氏体不锈钢室温力学性能和热疲劳性能的研究

摘要

高氮奥氏体不锈钢通过氮来部分取代镍，稳定了奥氏体相区，在降低成本的同时，其强度得到了提高，且塑性并不会下降，并且增强了不锈钢的耐腐蚀能力，在交通、建筑、电力、海洋、军工等许多生产和建设领域将会获得广泛的应用。在其服役领域，部分奥氏体不锈钢部件会暴露在热循环环境下，例如，核电站中，低温冷却水对高温结构或管道表面的冲击，因此，对高氮奥氏体不锈钢热疲劳性能的研究具有很高的实际应用价值。
　　本文设计了三种节镍型含氮奥氏体不锈钢:H0、H1和H2。通过光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪和显微硬度仪等设备，对三种钢的常温力学性能和热疲劳性能进行了研究，具体结论如下:
　　(1) H0、H1和H2三种高氮奥氏体不锈钢分别经过1050℃、1100℃和1100℃固溶处理后，H1和H2组织均为单一的奥氏体组织，并有孪晶出现，H0中含有少量σ相，该相多存在于晶界处。H0、H1和H2的显微硬度分别为:315.7HV、343.6HV、338.2HV。
　　(2) H1的综合力学性能最优，H2次之，H0最差。H1和H2之所以具有如此高的强度，主要是由于高含氮量在试验钢中起到了很好的强化作用，而H0氮含量虽然最高，但是晶界处有少量σ相析出，在很大程度上降低了试验钢的强度和塑性。
　　(3)三种试验钢的室温拉伸和冲击断口上覆盖了大量韧窝，韧窝底部有夹杂物，H0中的夹杂物主要是硫、硅、铬、锰和氧组成的混合物，H1中的夹杂物主要是钼、铬、锰和氧组成的混合物，H2中的夹杂物主要是硅的氧化物和锰、铬、氧组成的混合物。
　　(4)由于应力集中，热疲劳裂纹首先萌生于V型缺口处。随着温度的升高，试验钢的孕育期越来越短;裂纹扩展速度基本呈现出先缓慢增长，然后迅速提高，接着又平缓增长的趋势，当循环至特定次数后，试验钢高温性能明显下降，裂纹又急剧扩展。
　　(5)疲劳裂纹主要沿晶扩展，当热应力不能通过晶界释放时，裂纹就会选择穿晶扩展。试验钢固溶处理后的组织中并无氧化物析出，故O元素主要来源于加热时的炉内气氛，晶界处因氧化剥落形成的孔洞和晶粒内部的氧化腐蚀坑都会是裂纹源，形成的裂纹会和主裂纹搭桥形成更大的裂纹网格。材料的塑性对试验钢的热疲劳性能有重要的影响，综合看来，H1的塑性最好，因此其裂纹萌生最晚，扩展速度也最慢，热疲劳性能也最好。
　　(6)热疲劳试验中，上限温度的升高明显降低了试验钢的热疲劳寿命。高温导致热应力的增大，使试样表面萌生了大量的分叉裂纹和二次裂纹，这些裂纹的萌生对主裂纹的扩张方式和方向都有重要影响。
　　(7)随着循环次数的增加，三种试验钢试样表面的显微硬度都有所降低;不同上限温度，相同的循环次数情况下，高的上限温度所造成的硬度下降要明显大于较低上限温度的冷热循环组。不同温度下，经冷热疲劳循环后，试验钢的组织并未发生变化，仍为奥氏体组织，说明此三种含氮奥氏体不锈钢在冷热疲劳环境下组织稳定。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本课题研究的意义

1．2 高氮奥氏体不锈钢的分类

1．3 高氮奥氏体不锈钢中合金元素的作用

1．3．1 氮在奥氏体不锈钢中的作用

1．3．2 铬在奥氏体不锈钢中的作用

1．3．3 镍在奥氏体不锈钢中的作用

1．3．4 锰在奥氏体不锈钢中的作用

1．3．5 钼在奥氏体不锈钢中的作用

1．4 高氮奥氏体不锈钢的发展

1．4．1 国外高氮奥氏体不锈钢的发展状况

1．4．2 国内高氮奥氏体不锈钢的发展状况

1．5 热疲劳简介

1．5．1 热疲劳的研究历史及进展

1．5．2 热疲劳的影响因素

1．5．3 热疲劳抗力机制

1．5．4 热疲劳裂纹萌生原理

1．5．5 热疲劳试验方法

1．6 课题来源及本论文的研究目的和研究内容

1．6．1 课题来源

1．6．2 本论文的研究目的和内容

第二章 试验材料、方法及流程

2．1 试验材料

2．2 试验设备

2．2．1 热疲劳试验设备

2．2．1 其他试验设备及分析设备

2．3 试验流程

2．3．1 室温拉伸试验

2．3．2 室温冲击试验

2．3．3 显微硬度测试

2．3．4 热疲劳试验流程

2．3．5 光学显微镜及电子显微镜分析

2．3．6 XRD分析

2．4 热疲劳抗力的测定

第三章 试验钢组织和室温力学性能研究

3．1 显微组织分析

3．2 试验钢硬度测试

3．3 室温拉伸分析

3．4 室温冲击分析

3．5 本章小结

第四章 不同氮含量的试验钢的热疲劳行为与机理分析

4．1 不同氮含量的试验钢在不同上限温度下的裂纹长度

4．1．1 热疲劳裂纹长度测量方法

4．1．2 不同氮含量的试验钢在不同上限温度下的裂纹长度

4．1．3 热疲劳裂纹扩展的一般规律

4．2 不同氮含量的试验钢在不同上限温度下的热疲劳行为

4．2．1 不同氮含量的试验钢在20-400℃下的热疲劳行为与机理分析

4．2．2 不同氮含量的试验钢在20-600℃下的热疲劳行为与机理分析

4．3 本章小结

第五章 温度对试验钢的热疲劳性能的影响

5．1 温度对疲劳寿命的影响

5．2 较高上限温度对裂纹扩展方式的影响

5．3 冷热循环对显微硬度的影响

5．4 冷热循环对组织的影响

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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