马氏体耐热钢中的析出相与位错蠕变

摘要

能源是经济增长和社会发展的物质基础，要实现经济和社会的可持续性发展，必须设法提高能源的利用效率。我国的能源结构主要以燃煤为主，燃煤火力发电的效率随着蒸汽温度和压力的升高而不断提高，为此人们尝试通过提高蒸汽温度与压力的手段提高火电机组的发电效率，但这一愿望却受到材料蠕变性能的制约。在此背景下，本文对马氏体耐热钢的位错蠕变机理进行研究，旨在找出制约马氏体耐热钢蠕变性能提升的瓶颈，为进一步提高马氏体耐热钢的蠕变性能提供理论基础。 马氏体耐热钢的蠕变性能取决于其组织在高温和应力作用下的演变行为，基体内的析出相能够有效阻碍位错的运动，提高马氏体耐热钢的组织稳定性。然而不同类型的析出相在基体中的体积分数、尺寸各不相同，高温下的热稳定性也不尽相同，它们所发挥的作用有很大的差异。本文以两种氮化物强化马氏体耐热钢NS1、NS2和四种碳氮化物强化马氏体耐热钢CNS、SIMP1、SIMP2、P92为研究对象，分析他们所含析出相的类型、体积分数、形貌与分布，对比有、无应力条件下析出相的作用以及组织演变的差异性，最终探讨马氏体耐热钢的蠕变机理。 采用扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、透射电子显微镜并结合电解萃取实验方法，对马氏体耐热钢中析出相的沉淀析出行为、析出后的形貌与分布、时效过程中析出相的稳定性等进行表征。研究结果表明，马氏体耐热钢中的MX相、M23C6相回火后立即开始析出，回火1500s后沉淀析出反应趋于结束。析出后的MX相在基体内随机分布，形貌呈碟片状或粒状，尺寸非常细小，多在20nm左右;而M23C6相多沿马氏体板条界分布，形貌呈短棒状，尺寸在100nm以上。六种实验钢中，SIMP1钢中析出相的体积分数最多达4.3％，数密度为3.79×1020个/m3;NS1钢中析出相的体积分数最少为0.34％，数密度为2.46×1020个/m3。在高温长时时效过程中，热力学不稳定的析出相将向热力学稳定的析出相转化，并导致析出相的总体积分数增大。时效过程中，Laves相也将析出，其析出的体积分数随温度降低显著增大。已经析出的各类析出相在界面能的作用下发生Ostwald熟化，Cr23C6的熟化速率最大，之后依次是VN、TaC、NbN。 在对不同成分实验钢所含析出相类型、体积分数、形貌与分布进行表征后，本文对实验钢的时效组织稳定性与蠕变组织稳定性进行了研究。 时效实验中，含有细小MX相的NS1、NS2钢发生再结晶;而含有大尺寸M23C6相的实验钢CNS、SIMP1、SIMP2、P92均未发生再结晶。研究表明，大尺寸的M23C6相可以有效阻碍位错的攀移，阻碍板条马氏体碎化成亚晶，阻碍亚晶合并长大再结晶。析出相的体积分数越大，数密度越大，对位错攀移的阻碍作用越大，时效组织稳定性越高。 蠕变实验中，含有大尺寸M23C6相的具有良好时效组织稳定性的CNS、SIMP1、P92钢反而不具备较好的蠕变组织稳定性;时效过程中易于发生再结晶的NS1钢却具有优异的蠕变性能。有、无应力条件下马氏体耐热钢组织演变的差异引发了对马氏体耐热钢蠕变机理的进一步探究。 在蠕变过程中，马氏体耐热钢的位错密度持续降低，表明位错增殖的速率小于位错回复的速率，因此位错的增殖速率是控制蠕变速率的限制性环节。在时效实验中，位错难以攀移越过M23C6相，在蠕变过程中其同样难以攀移越过。M23C6相牢牢钉扎住位错，充当Frank-Read位错源的节点，在应力的作用下持续以Frank-Read机制释放位错。由于位错增殖速率是控制马氏体耐热钢蠕变速率的限制性环节，位错增殖的速率越快，蠕变组织稳定性越差，这就是含有大尺寸M23C6相的四种马氏体耐热钢的蠕变性能比无M23C6相的实验钢差的原因。本文研究结果对马氏体耐热钢的位错蠕变机理有了进一步认识。与低位错密度材料的蠕变机理不同，控制马氏体耐热钢蠕变速率的因素不是位错的回复，而是位错的增殖。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．2马氏体耐热钢中的析出相

1．2．1 M23C6型析出相

1．2．2 MX型析出相

1．2．3 Laves相

1．3空位的运动与位错攀移

1．4位错蠕变

1．4．1典型的位错蠕变曲线

1．4．2稳态蠕变速率方程

1．4．3位错蠕变的控制性环节

1．5其它蠕变方式

1．5．1扩散蠕变

1．5．2溶质拖拽粘滞性蠕变

1．6本文研究的主要内容

第2章实验材料与实验方法

2．1实验材料

2．2实验方法

2．2．1材料性能测试

2．2．2微观结构表征方法

第3章马氏体耐热钢中的析出相

3．1析出相在马氏体耐热钢中的沉淀析出行为

3．1．1实验材料的制备工艺

3．1．2析出相在奥氏体中的沉淀析出行为研究

3．1．3析出相在铁素体中的沉淀析出行为研究

3．2马氏体耐热钢中析出相的形貌

3．2．1实验材料与热处理工艺

3．2．2析出相的类型与体积分数

3．2．3析出相的形貌与分布特征

3．3析出相的热稳定性

3．3．1析出相的转化

3．3．2时效过程中Laves相的析出

3．3．3时效过程中析出相的熟化

3．4本章小结

第4章马氏体耐热钢中的位错蠕变

4．1析出相对时效组织稳定性的影响

4．1．1马氏体耐热钢在时效过程中的组织演变

4．1．2马氏体耐热钢再结晶原因分析

4．2析出相对蠕变组织稳定性的影响

4．2．1马氏体耐热钢的持久蠕变性能分析

4．2．2蠕变过程中的位错增殖

4．2．3蠕变过程中位错的回复

4．2．4位错的运动与稳态蠕变速率

4．3本章小结

第5章结论

参考文献

致谢