新型高Cr铁素体耐热钢相变行为及焊接性

摘要

高Cr铁素体耐热钢广泛用于超(超)临界火力发电。为解决日益突出的能源和环境问题,开展旨在提高高Cr铁素体耐热钢耐热温度的研究势在必行。在此背景下,本文就自行开发的新型高Cr铁素体耐热钢在奥氏体化和淬火后的相变行为及其焊接性进行了系统的研究,结合显微组织分析研究了该钢种在650℃高温时效过程中的组织演化规律。在大量试验研究和理论分析的基础上得到了如下结论:
　　(1)相变行为研究:第一,临界区奥氏体化后室温组织为奥氏体+铁素体的双相组织;完全奥氏体化时,M23C6沉淀相约在950~1000℃析出溶解,δ-铁素体在1050℃后开始逐渐形成。模型拟合确定的奥氏体晶粒长大激活能为58.7kJ/mol,马氏体相变的生长激活能和界面迁移速率均随奥氏体化温度和程度的提高而减小。第二,新型高Cr铁素体耐热钢淬火时只发生马氏体相变,室温组织中含有δ-铁素体和少量的残余奥氏体。随淬火温度降低,马氏体相变起止温度均升高,沉淀相的体积分数和颗粒尺寸均增大,残余奥氏体在700℃淬火时完全消失。实验结果与“扩展”相变动力学模型拟合结果吻合良好,马氏体板条横纵比随淬火温度降低而升高,形核率降低。
　　(2)焊接性研究:第一,在达到焊接热循环峰值温度时,组织中只存在δ-铁素体相,且因不能完全转化为奥氏体而部分残留下来,并发现δ-铁素体内析出富硼 M23C6沉淀相。基于晶界位置饱和形核理论和氮扩散控制相变进行了动力学建模,模型模拟结果与实验结果吻合较好,表明在焊接过程中氮可能是控制高温相变的主要合金元素。第二,对焊接接头的研究表明,焊缝组织发生回复再结晶,且受M23C6相的析出位置影响,超过70％的M23C6相在晶界析出,晶内和晶界的M23C6相颗粒尺寸都较大,通过理论计算证实 MX沉淀相析出量很少。焊后热处理过程中,保温时间对马氏体板条尺寸的影响更显著。
　　(3)等温时效研究:随着时效时间的延长,新型高Cr铁素体耐热组织中马氏体板条特征逐渐消失,形成等轴晶粒,晶界析出相形状和组分逐渐变化,最终形成Laves相。成分偏聚和粗大沉淀相颗粒周围位错网胞的形成促进焊缝组织发生回复,并形成富Mo的Laves相;此外,母材组织中的Laves相优先在M23C6相周边区域形核并长大。

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第一章 文献综述

1.1引言

1.2锅炉管用耐热钢的发展历程

1.3高Cr铁素体耐热钢的研究现状及发展前景

1.4高Cr铁素体耐热钢的成分设计依据

1.5高Cr铁素体耐热钢焊接性的研究现状

1.6本文研究内容及技术路线

第二章 新型高Cr铁素体耐热钢奥氏体化对相变的影响

2.1引言

2.2 临界区奥氏体化的相变分析

2.3 完全奥氏体化后的相变分析

2.4 马氏体相变行为

2.5 本章小结

第三章 新型高Cr铁素体耐热钢淬火过程的相变行为

3.1 引言

3.2 试验材料及工艺

3.3 相变动力学信息的获取方法

3.4 淬火过程中的马氏体相变

3.5 马氏体相变动力学模型

3.6 马氏体相变动力学分析

3.7 本章小结

第四章 新型高Cr铁素体耐热钢焊接热模拟分析

4.1引言

4.2 焊接热循环曲线的测定

4.3 模拟热影响区连续冷却转变曲线的制定

4.4 显微组织分析与讨论

4.5 相变动力学模型及分析

4.6 热模拟焊接粗晶热影响区的组织及冲击性能

4.7 本章小结

第五章 新型高Cr铁素体耐热钢焊接接头分析

5.1引言

5.2 焊接材料及工艺

5.3 焊接接头显微组织及性能

5.4 焊缝组织的回复和再结晶

5.5 本章小结

第六章 新型高Cr铁素体耐热钢焊接接头时效组织演化

6.1 引言

6.2 试验方法

6.3 等温时效后焊缝的显微组织及焊接接头硬度

6.4等温时效后母材的显微组织及沉淀相

6.5 母材中位错组态的变化

6.6 Laves相的沉淀析出机制

6.7 本章小结

第七章 主要结论与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

发表学术论文和参加科研情况

致谢