1、第四章第四章 長期在高溫條件下金屬材料長期在高溫條件下金屬材料組織結(jié)構(gòu)與性能的變化組織結(jié)構(gòu)與性能的變化珠光體的球化和碳化物聚集1、珠光體的球化定義：當(dāng)溫度較高時，原子的活動力增強(qiáng)，擴(kuò)散速度增加，片狀滲碳體便逐漸轉(zhuǎn)變成球狀，再逐漸聚集成大球團(tuán)的現(xiàn)象。20號鋼珠光體球化金相組織圖（a）未球化（原始態(tài)）組織250；(b) 球化后的組織5002、球化對金屬材料性能的影響（1）對室溫機(jī)械性能的影響 珠光體球化會使材料的室溫強(qiáng)度降低（2）對高溫機(jī)械性能的影響 珠光體球化會使材料的的蠕變極限和持久強(qiáng)度明顯下降3、影響珠光體球化的因素溫度的影響化學(xué)成分的影響應(yīng)力作用的影響晶粒度的影響冷加工變形程度TbAe/o

2、4、珠光體球化的級別球化級別的劃分的依據(jù)： 是以球化的組織狀態(tài)和相應(yīng)的機(jī)械性能來表示。20號低碳鋼各球化級別相應(yīng)的碳化物分析數(shù)據(jù)球化級別1 級2 級3 級4 級5 級碳化物平均尺寸（m）1.03911.09231.24321.79062.7916碳化物最大尺寸（m）1.99683.38233.87855.68487.6470碳化物面積百分比（m）0.03840.28850.59200.91761.230120 號低碳鋼珠光體球化級別標(biāo)準(zhǔn)與組織特征名稱球化級別)(MPab)(MPas(%)HB組織特征未球化第一級519.9347.330.0150155珠光體中的碳化物略呈片狀傾向性球化第二級48

3、5.6300.229.0146150珠光體中的碳化物開始分散；珠光體形態(tài)明顯輕度球化第三級456.2277.631.0121124珠光體區(qū)域中的碳化物開始分散，并開始逐漸向晶界擴(kuò)散；珠光體形態(tài)尚明顯中度球化第四級416.9204.133.4110122珠光體區(qū)域中的碳化物已明顯分散，并已向晶界聚集；珠光體尚保留其形態(tài)完全球化第五級367.9196.235.8104107珠光體形態(tài)已消失，球狀化碳化物分布在晶界及鐵素體基體上，分散度較大嚴(yán)重球化第六級359.1188.438.899.5104晶界及鐵素體上的碳化物已逐漸長大，分散度大5、材料發(fā)生球化后的恢復(fù)處理 已發(fā)生球化的鋼可采用熱處理的方法使

4、之恢復(fù)原來的組織。將已發(fā)生球化的珠光體鋼加熱到完全變成奧氏體組織的溫度（略高于900），保溫一定時間（約1小時左右），由于相變與再結(jié)晶，在冷卻后可得到原來的金相組織，從而消除了球化現(xiàn)象 石墨化1、石墨化的產(chǎn)生及對材料性能影響定義：是指鋼中的滲碳體分解成為游離碳，并以石墨形式析出，在鋼中形成石墨夾雜的一種組織轉(zhuǎn)變。性能：石墨化現(xiàn)象的發(fā)生會使鋼材性能惡化，脆性急劇增大，容易導(dǎo)致鋼管發(fā)生脆性爆破事故。石墨化條件：高溫、應(yīng)力、溫度（450700）反應(yīng)式：CFeCFe33（石墨）組織變化過程：片狀滲碳體球狀滲碳體分解為石墨點(diǎn)長大成球逐漸發(fā)展為球狀、團(tuán)絮狀和鏈狀2、石墨化的級別 鋼材石墨化按石墨化面積、石

5、墨鏈的長度、組織特征及其機(jī)械性能，通常將石墨化分為4級： 1級輕度石墨化 2級明顯石墨化 3級顯著石墨化 4級嚴(yán)重石墨化石墨化級別及其機(jī)械性能級別(%)(%)/(2cmJak彎曲角石墨化面積(%)石墨鏈長(m)124508090o3202103015505010050o100o3720303620620205020o70o7153060410103030o123060石墨化的級別對應(yīng)的機(jī)械性能石墨化的級別對應(yīng)的組織特征石墨化級別及其組織特征級 別特 征名 稱圖號1石墨球小，間距大，無石墨鏈輕度石墨化圖3-3(a)2石墨球較大，比較分散，石墨鏈短明顯石墨化圖3-3(b)3石墨球呈鏈狀，石墨鏈較長

6、，或石墨聚集呈塊狀，石墨塊較大，具有連續(xù)性顯著石墨化圖3-3(c)4石墨呈聚集鏈狀或塊狀，石墨鏈長，具有連續(xù)性嚴(yán)重石墨化圖3-3(d)石墨化評級圖 (a) (b) (c) (d)(a) 1級；(b) 2級；(c) 3級；(d) 4級3、石墨化的影響因素溫度、時間化學(xué)成份：鉻、鈦、釩、鈮等防止石墨化。硅、鋁、鎳等卻起促進(jìn)石墨化。晶粒大小冷加工變形程度等存在的應(yīng)力問題合金元素在固溶體和碳化物之間的重新分配1、合金元素的重新分配過程定義：合金元素隨時間由一種組織組成物向另一種組織組成物轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象分配特點(diǎn)：固溶體中合金元素的含量逐漸減少，碳化物中合金元素含量逐漸增多，即合金元素由固溶體向碳化物轉(zhuǎn)移，使

7、固溶體中合金元素貧化。性能變化：鋼的固溶強(qiáng)化作用顯著降低，同時沉淀強(qiáng)化的作用也減弱，因此材料的強(qiáng)度、蠕變極限和持久強(qiáng)度下降影響因素：溫度、時間、成分（特別是含碳量）、應(yīng)力發(fā)生原因：合金元素原子溶入鐵素體固溶體 產(chǎn)生晶格畸變 晶格不穩(wěn)定在高溫的作用下 合金元素原子從固溶體中轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的碳化物中 固溶體的貧化合金元素的重新分配過程包含兩個方面：固溶體和碳化物中合金元素含量的變化，亦即碳化物成分的變化；碳化物結(jié)構(gòu)類型、數(shù)量和分布形式的變化。2、固溶體和碳化物中合金元素成分的變化（1）低合金鉻鉬鋼 (a) 15CrMo鋼 (b) 12MoCr鋼管道用鋼碳化物中的鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)與運(yùn)行時間的關(guān)系12M

8、oCr 鋼長期在 510下運(yùn)行時碳化物成分的變化運(yùn)行條件碳化物中合金元素的量占鋼中合金元素量的百分比（%）鐵素體的顯微硬度Hu20溫度（）時間（h）MnCrMo（載荷 20g）未運(yùn)行510510510未運(yùn)行451419032910676510.223.127.929.111.323.618.124.02.724.241.555.316014014614312Cr1MoV鋼經(jīng)長期運(yùn)行后碳化物成分及鋼的熱強(qiáng)性的變化運(yùn)行條件碳化物中合金元素的量占鋼中合金元素量的百分比（%）蠕變極限5401017(MPa)持久強(qiáng)度540105(MPa)溫度（）時間（h）CrMoV未運(yùn)行540540540未運(yùn)行2206

9、55484910600013.69.420.022.024.3*45.0*57.057.069.6*90.091.093.096.7*73.668.7117.7103更正（2）低合金鉻鉬釩鋼3、碳化物結(jié)構(gòu)類型、數(shù)量和分布的變化 變化的原因：是使碳化物由亞穩(wěn)定相向穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變?nèi)渥冞^程中碳化物結(jié)構(gòu)類型的變化鋼種溫度（）時間（h）碳化物結(jié)構(gòu)類型12MoCr未運(yùn)行51010未運(yùn)行90329107675CFe3（CM3）+少量CMo2。CMoCMCFe233)(為 主 ,37),(CMoCr及 少 量M C6為次。CMoCMCFe233)(+少量CM612Cr1MoV5405405405409000010

10、1794106000110660VCCFe3為主, 372CCrCMo為次。VCCFe3為主, 372CCrCMo為次。VCCFe3為主, 37CCr為次, CM6少量。VCCCrCFe373為主, CMoCCr2623為次。10212Cr2MoWVTiB62062337CMCMVC37CMVC CM6MoCr1412CMCM637)(233CMCMCM623CM碳化物的形狀： 當(dāng)晶粒內(nèi)部析出細(xì)小的針狀 時，鋼的熱強(qiáng)性提高；當(dāng)細(xì)小的聚集粗大時，熱強(qiáng)性降低。碳化物的分布狀態(tài)： 碳化物首先在晶界析出，使晶界性質(zhì)發(fā)生較大的改變；當(dāng)碳化物聚集在晶界上呈連續(xù)膜狀時，削弱了晶界強(qiáng)度，從而產(chǎn)生蠕變裂紋，甚至

11、造成沿晶脆性斷裂。CMo2材質(zhì)退化對低周疲勞特性的影響1、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料的軟化特性運(yùn)行140,000小時的汽輪機(jī)高、中壓轉(zhuǎn)子的軟化2、硬度與低周疲勞特性之間的關(guān)系2121ffpetNCNC21101HVC431HV24321210fHVfHVtNCNTimo曲線 曲線 30Cr2MoV鋼曲線 MP2材質(zhì)退化對蠕變特性的影響)log20)(273(rtTP 轉(zhuǎn)子的運(yùn)行溫度和斷裂時間仍然可以用Larson-Miller參數(shù)P描述：Larson-Miller參數(shù)P與HV存在有下述關(guān)系：)()(BHVAP2321)(loglog)(AAAA2321)(loglog)(BBBB1、硬度與蠕變斷裂特性之間的關(guān)系不同硬度下的Cr-Mo-V轉(zhuǎn)