基于结构单元模型的HR3C钢晶界碳化物析出行为研究

摘要

随着超超临界(USC)燃煤发电技术的发展，以及人类共同面临的环境问题日益严峻，提高发电效率和减少CO2排放成为火力发电领域的两大主题。超超临界燃煤发电机组中高温高压的服役环境对结构材料的性能提出了更为苛刻的要求。HR3C钢因其具有高蠕变强度、热疲劳强度、可焊性、耐火侧腐蚀以及耐蒸汽侧氧化和剥落等性质，成为超超临界锅炉中应用较为广泛的过热器和再热器材料。然而，在长期服役过程中，碳化物沿晶界连续链状析出显著增加了HR3C钢脆性，给超超临界电站的安全服役带来安全隐患。因此，从晶界碳化物的析出行为角度研究HR3C钢的脆性问题，对改善HR3C钢以及相关材料的服役脆化问题具有重要意义。 本文基于结构单元模型对晶界结构与碳化物的相关性进行了理论分析，并探索了一种形变热处理工艺改变HR3C钢晶界取向，从而改变晶界碳化物析出行为: 利用结构单元模型和原子密度径向分布函数分析了8种对称倾斜晶界和3种碳化物结构间的相似性，并运用分子动力学模拟计算了这些晶界上单个C原子的形成能。结果表明，Cr23C6和Cr7C3碳化物具有与晶界更相似的结构；晶界角在20-50°之间时，晶界和碳化物间的结构相似程度较高；而接近60°时，晶界和碳化物间的相似程度较低。分子动力学结果表明，当晶界角在20-50°之间时，C原子更容易向晶界偏聚；而当晶界角接近60°时，C原子向晶界迁移的趋势减弱。 在理论研究的基础上，实施形变热处理工艺改变HR3C钢中晶界碳化物析出状态。随后分析形变量、热处理温度和热处理时间对HR3C钢组织的影响，并用EBSD表征了样品的晶界取向分布。研究发现，经过形变热处理工艺后晶界碳化物不连续析出；晶界角小于20°和大于50°的晶界所占比例升高，而20-50°之间的晶界所占比例显著降低。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 HR3C钢高温服役中的晶界析出和性能劣化

1.3 晶界结构与碳化物析出关系

1.4 研究内容及意义

2 实验材料与研究方法

2.1 晶界/碳化物结构模型建立

2.1.1 重合位置点阵模型

2.1.2 晶界结构单元模型

2.1.3 碳化物结构单元

2.2 分子动力学方法

2.2.1 分子动力学基本原理

2.2.2 计算条件选择

2.2.3 LAMMPS软件

2.3 实验材料和形变热处理方法

2.4 样品制备与分析方法

光学显微组织分析

X 射线衍射分析(XRD)

扫面电子显微镜分析(SEM)

电子背散射衍射分析(EBSD)

维氏硬度分析

3 晶界结构与碳化物间关系

3.1 晶界和碳化物结构模型构建

3.1.1 晶界结构模型

3.1.2 碳化物结构模型

3.2 晶界与碳化物结构相似性分析

3.3 C原子向晶界偏聚的能量分析

3.4 本章小结

4 形变热处理工艺对组织及性能影响

4.1 形变热处理工艺对HR3C钢组织影响

4.1.1 1h形变热处理工艺参数探索

4.1.2 6h形变热处理工艺对组织影响

4.2 形变热处理工艺对HR3C钢碳化物析出行为影响

4.2.1 形变量对HR3C钢碳化物析出行为影响

4.2.2 热处理温度对HR3C钢碳化物析出行为影响

4.2.3 热处理时间对HR3C钢碳化物析出行为影响

4.3 形变热处理工艺对HR3C钢硬度影响

4.4 本章小结

5 形变热处理工艺对晶界析出及断裂方式影响

5.1 形变热处理工艺对晶界特征及迁移影响

5.1.1 晶界碳化物形貌分析

5.1.2 晶粒及晶界取向分析

5.1.3 HR3C钢中晶界迁移现象

5.2 形变热处理工艺对组织稳定性及断裂方式影响

5.2.1 20%900℃下晶界碳化物稳定性研究

5.2.2 20%900℃下HR3C钢断裂方式研究

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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