P91耐热钢高温低应力下蠕变性能的研究

摘要

P91耐热钢由于突出的抗蠕变性能、良好的抗腐蚀性和高温抗氧化能力，成为火电、核电厂管道部件的主选或更新换代材料。工程上，将管道材料的持久蠕变寿命定义为在使用时间为105h时，形变量不超过2％。此时低应力下蠕变的应变率将会低于10-10ms-1，传统的单轴蠕变试验由于应变率低，不能满足此应变速率下蠕变性能研究的需求；另一面，P91耐热钢在服役过程中会产生组织退化，组织退化对高温低应力下的蠕变性能的影响仍未知。本研究的目的：采用具有高应变率的“螺旋弹簧蠕变试验法”调查不同条件的热时效处理后P91耐热钢在高温低应力下的蠕变性能，揭示了P91耐热钢高温低应力下的“组织退化因子”。
　　通过ANSYS有限元仿真软件，对不同螺距的P91螺旋弹簧试样的力学场进行了分析，得到结论：当螺距的长度是螺旋段横截面长度的1-3倍时，“螺旋弹簧蠕变试验法”满足纯扭转变形。
　　对不同热时效处理时间的试样分别进行X-rd和SEM微观组织分析，结果显示：1）析出相有M23C6、Laves相和MX相。2）MX相在热处理之后达到饱和状态，主要弥散析出在马氏体板条晶粒的内部。3）M23C6相沿马氏体板条晶界处和原奥氏体晶界析出，在时效700h达到饱和状态，之后发生粗化。4）Laves相在时效2100h沿马氏体板条边界和亚晶边界析出，且极易长大。
　　对P91耐热钢在高温低应力下蠕变性能进行了研究，得出结论：1）“螺旋弹簧蠕变试验法”有效。2）Blackburn’s equation能够最好的描述实测蠕变数据。3）单轴蠕变试验法会过大的评测使用材料的剩余寿命。4）Laves相是影响P91耐热钢高温低应力下的蠕变性能的“组织退化因子”。
　　本文从有限元分析、微观组织观察和高温低应力下的蠕变性能三个方面对P91耐热钢进行了研究，研究结果对下一步开展耐热钢改性提供了理论支持，高温、低应力下的蠕变数据为开展高铬耐热钢的服役安全性评价提供了数据支持。

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第一章 绪论

1.1 P91耐热钢蠕变研究的背景

1.2 国内外耐热钢的发展趋势

1.3 P91耐热钢蠕变研究的意义

1.4 P91耐热钢性能

1.5 高温蠕变基本知识

1.6 组织退化对蠕变性能的影响

1.7 本章小结

第二章 有限元分析

2.1 螺旋弹簧蠕变试验法

2.2 建立螺旋弹簧的模型

2.3 加载求解

2.4 ANSYS模拟结果

2.5 螺旋弹簧蠕变试样法原理

2.6 本章小结

第三章 低应力下蠕变试验的研究

3.1 传统的蠕变试验方法

3.2 实验原理

3.3 试样制备

3.4 热处理工艺

3.5 试验装置

3.6 试验结论

3.7 短程蠕变本构方程的研究

3.8 稳态应变速率的研究

3.9 本章小结

第四章 微观组织研究

4.1 制作金相试样

4.2 微观组织观察结果

4.3 组织退化因子研究

4.4 总结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

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