一种评估9-12Cr铁素体耐热钢长时持久性能的方法

摘要

本发明公开了利用9-12Cr％铁素体耐热钢在550～750℃内的短时试验数据外推其长时持久性能的方法，包括以下步骤：①通过高温拉伸试验获得试样在各试验温度(分为持久性能建模温度T及待评估持久性能的温度T′)的抗拉强度σ

说明书

技术领域

本发明涉及9-12Cr％铁素体耐热钢持久性能的评估，具体地说，涉及利用9-12Cr％铁素体耐热钢在550～750℃范围内的短时(≤5×10³h)应力加载试验数据外推相应钢种长时(5×10³h～10⁵h)持久性能的方法。

背景技术

9-12％Cr铁素体耐热钢是一类广泛应用于超超临界火力发电机组的材料。这类钢具有优良的高温断裂强度和抗热腐蚀能力，填补了低合金钢和奥氏体钢之间的空白，是近年来火电用钢发展的主流，也是相关领域的一个主要研发方向。电站用钢的持久性能评估必不可少。传统的持久性能评估方法有时间-温度参数法(TTP法)、等温线法、金相分析法等，其中以时间-温度参数法应用得最为广泛。时间-温度参数法需要做系列温度下的持久(或称蠕变)断裂试验，并且需要较长的试验时间(通常要求在10⁴h以上，有的甚至要求高达3×10⁴h小时以上)从而获取不同温度下的应力与断裂时间数据，以建立温度-时间的参数值与应力的关系，以此评估任一温度下的断裂时间所对应的应力(即强度)；近期研究表明，对9-12％Cr铁素体耐热钢采用该方法在600℃及650℃试验10⁴h左右时，钢的性能产生明显下滑，说明实际情况明显偏离了预测模型，即这类模型对9-12％Cr铁素体耐热钢已有明显性能过估倾向。等温线外推法是利用一定温度、较高应力下的应力与断裂时间数据，在双对数坐标系中以线性外推形式预测较低应力下的长时持久性能。该方法也需要做断裂时间较长(超过10⁴h)的持久性能试验且只能用于预测试验数据自身温度的持久性能。同时，近期有研究表明该方法有明显过估9-12Cr％铁素体耐热钢长时持久性能的倾向；金相分析法通过直接观测确定温度、应力及时间作用下，材料显微组织的变化程度来判断所对应的长时性能，由于显微组织变化的微观性及不均匀性使其准确定量比较困难。近年来随着9-12％Cr铁素体耐热钢在超超临界火电厂运行过程中过早失效现象的发生，人们对用传统方法评估这类钢长时性能的适用性产生了质疑，并尝试对其进行改良。如何利用9-12％Cr铁素体耐热钢在550～750℃范围内的短时(≤5×10³h)应力加载试验数据外推相应钢种在550～750℃范围内的长时(5×10³h～10⁵h)持久性能，以有效减小长时持久性能的过估倾向，并节省持久试验所需时间、能耗、样品数及设备数是本发明的一个关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用9-12Cr％铁素体耐热钢在550～750℃范围内的短时(≤5×10³h)试验数据外推相应钢种长时(＞5×10³h～10⁵h)持久性能的方法，该方法可有效减小长时持久性能的过估倾向，大大节省持久试验所需时间、能耗、样品数及设备数。

本发明提供的技术方案是：

一种评估9-12Cr％铁素体耐热钢长时持久性能的方法，包括以下步骤：①取直径d₀为5～10mm，长度为5d₀或10d₀的9-12Cr％铁素体耐热钢试样在高温持久试验机下进行高温持久性能试验；通过上述试验获得试样在550～750℃范围内持久性能建模温度T和至少2个不同加载应力下的断裂时间，以及待评估持久性能的温度T′和至少1个加载应力下的断裂时间；②建立加载应力与断裂时间的持久性能外推模型：对持久性能建模温度下的上述试验数据点在双对数坐标系中按进行线性拟合并获取斜率值b；其中σ为加载应力，t_f为对应加载应力σ下的断裂时间，a为常数；③根据所得持久性能外推模型对待评估持久性能的温度进行持久性能的外推：对步骤①获得的待评估持久性能的温度下的持久试验数据利用步骤②中得到的斜率值b在双对数坐标系中按进行线性拟合以获得相应的常数a′并计算其算术平均值(对于一组加载应力和断裂时间数据，则平均值为其本身)，则即为待评估持久性能的温度下持久性能的评估方程；④在双对数坐标图上用绘制出应力——断裂时间曲线，用该曲线评估试验用钢在待评估持久性能温度下的持久性能。

上述步骤①中获得的持久性能建模温度和待评估持久性能的温度对应的加载应力σ与该温度对应的抗拉强度σ_TS的比值σ/σ_TS需位于同一区；其中I区：A≤σ/σ_TS＜1，II区：当持久性能建模温度或待评估持久性能的温度＜750℃，0＜σ/σ_TS＜A；当持久性能建模温度或待评估持久性能的温度＝750℃，0.20≤σ/σ_TS＜A；其中，A＝0.37～0.40。

或者，一种评估9-12Cr％铁素体耐热钢长时持久性能的方法，包括以下步骤：①在550～750℃范围内取若干温度点作为试验温度，其中包括持久性能建模温度T和待评估持久性能的温度T′，对9-12Cr％铁素体耐热钢试样进行高温拉伸性能试验，从而获取每一试验温度对应的抗拉强度σ_TS；②根据步骤①中获得的每一试验温度对应的抗拉强度σ_TS，按下述区域划分原则获得每一试验温度所需的试验加载应力σ；所述区域划分原则为，持久性能建模温度和待评估持久性能的温度对应的加载应力σ与该温度对应的抗拉强度σ_TS的比值σ/σ_TS位于同一区，其中I区：A≤σ/σ_TS＜1，II区：当持久性能建模温度或待评估持久性能的温度＜750℃，0＜σ/σ_TS＜A；当持久性能建模温度或待评估持久性能的温度＝750℃，0.20≤σ/σ_TS＜A；其中，A＝0.37～0.40；③按照步骤②中确定的各试验温度的加载应力值进行高温持久性能试验：取直径d₀为5～10mm，长度为5d₀或10d₀的9-12Cr％铁素体耐热钢试样在高温持久试验机下进行高温持久性能试验；从而测得试样在持久性能建模温度和至少2个不同加载应力下的断裂时间，以及待评估持久性能的温度和至少1个加载应力下的断裂时间；其中，持久性能建模温度T包括I区持久性能建模温度T₁及II区持久性能建模温度T₂；④建立I区加载应力与断裂时间的持久性能外推模型：对I区持久性能建模温度T₁下满足断裂寿命不超过5×10³h的试验数据点在双对数坐标系中按进行线性拟合并获取斜率值b₁，其中，a₁为常数；⑤根据所得I区持久性能外推模型对建模所用以外温度进行持久性能外推：对于待评估持久性能的温度，在其试验加载应力与对应抗拉强度的比值σ/σ_TS位于I区的持久试验数据点中选取至少1个断裂寿命不超过5×10³h的数据点，利用④中得到的斜率值b₁在双对数坐标系中按进行线性拟合以获得相应的常数并计算其算术平均值则即为该温度下I区持久性能的评估方程；⑥建立II区持久性能外推模型：对II区持久性能建模温度T₂下满足断裂寿命不超过5×10³h的试验数据点在双对数坐标系中按进行线性拟合并获取斜率值b₂；⑦根据所得II区持久性能外推模型对建模所用以外温度进行持久性能外推：对于待评估持久性能的温度，在其试验加载应力与对应抗拉强度的比值σ/σ_TS位于II区的持久试验数据点中选取至少1个数据点，利用⑥中得到的斜率值b₂在双对数坐标系中按进行线性拟合以获得相应的常数并计算其算术平均值则即为该温度下II区持久性能的评估方程；⑧在双对数坐标图上用分别从⑤及⑦中获得的持久性能评估方程绘制出应力——断裂时间曲线，用该曲线评估试验用钢在待评估持久性能的温度下的持久性能。

上述步骤⑦中如果待评估持久性能的温度下满足试验加载应力与对应抗拉强度的比值σ/σ_TS位于II区的持久试验数据点的断裂时间有不超过5×10³h的，则选择断裂时间不超过5×10³h的持久试验数据点；如果该温度下满足上述条件的持久试验数据点的断裂时间均超过了5×10³h，则选择断裂时间距离5×10³h最近的数据点1到2个。

本发明具有以下优点和积极效果：

①本发明提出的利用9-12Cr％铁素体耐热钢在550-750℃范围内的短时(5×10³h)应力加载试验数据外推相应钢种长时(5×10³h～10⁵h)持久性能的方法可以有效解决用传统外推方法评估这类钢的持久性能时会产生明显的性能过估，并需要大量试验时间、能耗、设备、样品数等问题。

②用本发明提出的方法可经济、有效地设计持久试验，合理制定持久试验所需温度及应力，可有效减少试验的盲目性。

③本发明提出的方法科学、合理、方便、易行，其计算过程简单、快速、结果准确、可靠。

附图说明

图1为本发明实施例1中P92钢分区、短时数据建模并外推其长时性能图；

图2为本发明实施例2中P122钢分区、短时数据建模并外推其长时性能图。

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

①高温拉伸试验

在550～750℃范围内取若干温度点作为试验温度，其中包括持久性能建模温度T和待评估持久性能的温度T′，对9-12Cr％铁素体耐热钢试样进行高温拉伸性能试验(如根据国家标准GB/T 4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》，在高温拉伸试验机下对9-12Cr％铁素体耐热钢做高温拉伸试验)，从而获取每一试验温度对应的抗拉强度σ_TS；

②持久试验加载应力的确定

以加载应力与抗拉强度的比值σ/σ_TS＝A为临界值，确定持久试验应力，即步骤①中的持久性能建模温度和待评估持久性能的温度对应的持久试验加载应力σ与该温度对应的抗拉强度σ_TS的比值σ/σ_TS需位于同一区，其中I区：A≤σ/σ_TS＜1，II区：当持久性能建模温度或待评估持久性能的温度＜750℃，0＜σ/σ_TS＜A；当持久性能建模温度或待评估持久性能的温度＝750℃，0.20≤σ/σ_TS＜A；A＝0.37～0.40。根据上述区域划分原则计算并确定每一试验温度下所需的试验加载应力值；

③高温持久试验

按照步骤②中获得的各试验温度所需的试验加载应力值进行高温持久性能试验(如按照中华人民共和国国家标准GB/T 2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》进行9-12Cr％铁素体耐热钢高温持久性能试验)：取直径d₀为5～10mm，长度为5d₀或10d₀的9-12Cr％铁素体耐热钢试样在高温持久试验机下进行高温持久性能试验；测得试样在持久性能建模温度和至少2个不同加载应力下的断裂时间，以及待评估持久性能的温度和至少1个加载应力下的断裂时间；其中，持久性能建模温度T包括I区持久性能建模温度T₁及II区持久性能建模温度T₂；

④建立I区加载应力与断裂时间的持久性能外推模型

对I区持久性能建模温度T₁下满足断裂时间不超过5×10³h的持久试验数据点在双对数坐标系中按进行线性拟合并获取斜率值b₁；

⑤根据I区建立的模型进行持久性能外推

对待评估持久性能的温度，在其试验加载应力与对应抗拉强度的比值σ/σ_TS位于I区的持久试验数据点中选取至少1个断裂寿命不超过5×10³h的数据点，利用中得到的斜率值b₁在双对数坐标系中按进行线性拟合以获得相应的并计算其算术平均值则即为该温度下I区持久性能的评估方程；其中，均为常数；

⑥建立II区持久性能外推模型

对II区持久性能外推温度T₂下满足断裂时间不超过5×10³h的持久试验数据点在双对数坐标系中按进行线性拟合并获取斜率值b₂；

⑦根据II区建立的模型进行持久性能外推

对待评估持久性能的温度，在其试验加载应力与对应抗拉强度的比值σ/σ_TS位于II区的持久试验数据点中选取至少1个断裂寿命不超过5×10³h的数据点，利用中得到的斜率值b₂在双对数坐标系中按进行线性拟合以获得相应的并计算其算术平均值则即为该温度下II区持久性能的评估方程；其中，均为常数(若该温度下满足加载应力与对应抗拉强度的比值σ/σ_TS位于II区的持久试验数据点的断裂时间均超过了5×10³h，则选择断裂时间距5×10³h最近的数据点1到2个)；

⑧在双对数坐标图上用分别从⑤及⑦中获得的持久性能评估方程绘制出应力——断裂时间曲线，用该曲线评估试验用钢在待评估持久性能的温度下的持久性能。

实例：

实例1：利用P92钢在550～750℃范围内的短时(≤5×10³h)应力加载试验数据外推其长时(5×10³h～10⁵h)持久性能。表1为NIMS(National Institute for Materials Science)数据库中P92钢的高温拉伸试验和高温持久数据，其中包括试验温度(T/℃)，加载应力(σ/MPa)，断裂时间(t_f/h)以及抗拉强度(σ_TS/MPa)。首先，按具体实施方式①～③由高温拉伸试验结果设定高温持久试验所需加载应力，从而根据确定试验温度及加载应力的高温持久试验获取各试样的断裂时间数据(在P92钢中A值为0.37)，然后按具体实施方式④～⑧分别针对I区、II区建立模型并进行持久性能的外推与评估。其中，I区采用650℃中加载应力与对应抗拉强度的比值位于0.37＜σ/σ_TS＜1区域的三个持久试验数据点在双对数坐标系中进行函数拟合，分别获得a₁、b₁值：a₁＝191.7314，b₁＝-0.07451。II区采用750℃中加载应力与对应抗拉强度的比值位于0.20＜σ/σ_TS＜0.37区域的三个持久试验数据点在双对数坐标系中进行函数拟合，分别获得a₂、b₂值：a₂＝107.3877，b₂＝-0.16586。然后，对550～600℃采用I区模型进行长时(5×10³h～10⁵h)持久性能外推，700℃采用I区模型进行短时(≤5×10³h)持久性能外推，结果见表2～4；650～700℃采用II区模型进行长时(5×10³h～10⁵h)持久性能外推，结果见表5～6。P92各温度长时(5×10³h～10⁵h)持久性能外推方程见表7。图1表示了本发明方法外推P92钢持久性能的结果：利用该钢在650℃和750℃下短时段(≤5×10³h)的试验数据(图中实心点)建模(图中实线)，然后外推其长时段(5×10³h～10⁵h)的持久性能(图中虚线)，结果表明长时段预测曲线与实测数据点(图中空心点)的吻合性很好。因此，对P92钢使用本发明方法，在550～750℃范围内，利用650℃和750℃下短时段(≤5×10³h)试验数据建模，可准确外推其它各温度在5×10³h～10⁵h的持久性能，从而显著减小性能过估倾向，并大大节省试验时间、样品及设备数。

表1 P92钢高温拉伸及高温持久试验数据表

表2 P92钢-550℃-I区a′值计算                表3 P92钢-600℃-I区a′值计算

表4 P92钢-700℃-I区a′值计算                表5 P92钢-650℃-II区a′值计算

表6 P92钢-700℃-II区a′值计算               表7 P92钢各温度长时持久性能外推方程

实例2：利用P122钢在550～750℃范围内的短时(≤5×10³h)应力加载试验数据外推其长时(5×10³h～10⁵h)持久性能。表8为NIMS(National Institute for MaterialsScience)数据库中P122钢的高温拉伸及高温持久试验数据，其中包括试验温度(T/℃)，加载应力(σ/MPa)，断裂时间(t_f/h)以及抗拉强度(σ_TS/MPa)。首先，按具体实施方式①～③由高温拉伸试验结果设定高温持久试验所需加载应力，从而根据确定试验温度及加载应力的高温持久试验获取各试样的断裂时间数据(在P122钢中A值为0.40)，然后按具体实施方式④～⑧分别针对I区、II区建立模型并进行持久性能的外推与评估。其中，I区采用600℃中加载应力与对应抗拉强度的比值位于0.40＜σ/σ_TS＜1区域的三个数据点在双对数坐标下进行函数拟合，分别获得a₁、b₁值：a₁＝279.1921，b₁＝-0.05489。II区采用750℃中加载应力与对应抗拉强度的比值位于0.20＜σ/σ_TS＜0.40区域的三个数据点在双对数坐标下进行函数拟合，分别获得a₂、b₂值：a₂＝109.1057，b₂＝-0.17114长然后，对550℃采用I区模型进行长时(5×103h～10⁵h)持久性能外推，对625～650℃采用I区模型进行短时(≤5×10³h)持久性能外推，结果见表9～11；对600～700℃采用II区模型进行长时(5×10³h～10⁵h)持久性能外推，结果见表12～16。P122钢各温度长时持久性能外推方程见表17。图2表示了本发明方法外推P122钢持久性能的结果：利用该钢在600℃和750℃下短时段(≤5×10³h)的试验数据(图中实心点)建模(图中实线)，然后外推其长时段(5×10³h～10⁵h)的持久性能(图中虚线)，结果表明长时段预测曲线与实测数据点(图中空心点)的吻合性很好。因此，对P122钢使用本发明方法，在550～750℃范围内，利用600℃和750℃下短时段(≤5×10³h)试验数据建模，可准确外推其它各温度在5×10³h～10⁵h的持久性能，从而显著减小性能过估倾向，并大大节省试验时间、样品及设备数。

表8 P122钢高温拉伸及高温持久试验数据表

注：NIMS数据库中未给出P122钢625℃及675℃的抗拉强度值，这两个温度所对应的抗拉强度根据其它试验温度值与抗拉强度值的线性拟合而得到(拟合优度R²＝0.999)

表9 P122钢-550℃-I区a′值计算

表10 P122钢-625℃-I区a′值计算

表11 P122钢-650℃-I区a′值计算

表12 P122钢-600℃-II区a′值计算

表13 P122钢-625℃-II区a′值计算

表14 P122钢-650℃-II区a′值计算

表15 P122钢-675℃-II区a′值计算

表16 P122钢2-700℃-II区a′值计算

表17 P122钢各温度长时(5×10³h～10⁵h)持久性能外推方程

  温度(℃)   外推方程   550   σ＝388.0874·t_f^(-0.05489)  600   σ＝750.6327·t_f^(-0.17114)  625   σ＝546.6529·t_f^(-0.17114)  650   σ＝400.0193·t_f^(-0.17114)  675   σ＝303.2745·t_f^(-0.17114)  700   σ＝210.2517·t_f^(-0.17114)