毕业论文-CB2耐热钢材质的抗回火性研究.pdf

i 本科生毕业论文本科生毕业论文（设计）（设计） 题题 目目 cb2 耐热钢材质的抗回火性研究耐热钢材质的抗回火性研究 学学 院院 制造科学与工程学院制造科学与工程学院 专专 业业 材料成型及控制工程材料成型及控制工程 学生姓名学生姓名 罗发吉罗发吉 学学 号号 1143022054 年级年级 2011 级级 指导教师指导教师 孙兰孙兰 教务处制表教务处制表 二二 一一五五年年五五月月十五十五日日 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 2 cb2 耐热钢材质的抗回火耐热钢材质的抗回火性性研究研究 制造科学与工程学院 材料成型及控制工程 学生:罗发吉 指导老师:孙兰 摘要摘要: cb2耐热钢是一种新型的铁素体型耐热钢， 其具体牌号是具体牌号是zg12cr9mo1co1nivnbnb。 通过研究多次回火后的材料的性能变化，得出材料的抗回火性能。因此，将 cb2 耐热钢试样进行四次 回火实验，然后利用布氏硬度试验、拉伸试验、金相显微镜观察、扫描电子显微镜（sem） 、能谱分析 等方法研究了不同时效温度下 cb2 耐热钢试样的硬度、抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击功和微观 组织。研究结果表明：cb2 耐热钢试样在多次回火后对回火马氏体板条组织有一定的影响，随着回火 次数增加，马氏体板条厚度增加，回火后马氏体组织板条的朝向趋于发生错乱；在多次回火后第二相颗 粒大小不均匀，并且形状不规则且不一致，可以观察到第二相颗粒并不是均匀弥散的分布于基体，而是 第二相颗粒沿着某些边界呈线性分布； 当试样在进行三次回火处理后， 试样的力学性能比进行回火处理 之前明显下降，在进行四次回火处理后，试样的力学性能均出现相对回升。 关键词关键词: cb2 耐热钢；抗回火性；组织；性能 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 3 research tempering resistance of cb2 heat resistant steel major: material molding and control engineering undergraduate: luo faji tutor: sun lan abstract :cb2 resistant steel is a new ferritic heat-resistant steel, concrete grade is a specific grade is zg12cr9mo1co1nivnbnb. by studying the properties of materials change several times after tempering, draw anti-tempering properties of materials. then， using brinell hardness test, tensile test, metallography microscope, scanning electron microscope (sem), energy spectrum analysis method to study the hardness, tensile strength at different aging temperature resistant steel specimens cb2, yield strength, elongation, impact energy and microstructure. the results show that: cb2 resistant steel samples after multiple tempering has some influence on the organization lath martensite, tempered with the increase in the number of lath martensite thickness, tempered martensite tissue disorder tends to occur toward the slats; after multiple second tempering phase particle size uneven and inconsistent and irregular shape can be observed not uniformly dispersed second phase particles distributed in the matrix, but the second phase particles along some boundary linear distribution, causing its deterioration; decreased significantly after the sample before carrying out three tempering treatment, mechanical properties than the samples tempered, tempering treatment during four mechanical properties of the sample are relatively rebound occurs. key words: cb2 heat resistant steel ; tempering resistance ;microstructure ;properties 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 4 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 5 5 1.1 耐热钢的发展概况 5 1.1.1 国外耐热钢的发展概况 . 5 1.1.2 国内耐热钢的发展概况 . 5 1.2 目前用于超超临界发电机组材料 5 1.2.1 912%cr 铁素体/马氏体耐热钢 5 1.2.2 10crmowvnbn 铁素体耐热钢 . 6 1.2.3 t9l/p91 耐热钢 7 1.2.4 cb2 耐热钢 . 8 1.3 论文研究意义 9 1.4 研究目的及内容10 第二章第二章 实验材料、工艺及方法实验材料、工艺及方法 1111 2.1 实验工艺流程及方法 . 11 2.1.1 淬火及回火过程 11 2.1.2 实验流程 12 2.1.3 组织性能与检测 13 2.2 试样材料 15 2.2.1 试样材料的准备 15 2.2.2 cb2 耐热钢材质的成分 15 2.2.3 cb2 耐热钢的常温力学性能要求 16 第三章第三章 实验结果及分析实验结果及分析 1717 3.1 cb2 耐热钢显微组织分析.17 3.2 试样的 sem 照片能谱结果及分析 19 3.3 力学性能测试结果及分析 23 3.3.1 硬度测试结果 23 3.3.2 抗拉强度结果与分析 25 3.3.3 屈服强度结果与分析 27 3.3.4 延伸率结果与分析 29 3.3.5 冲击功的结果与分析 30 第四章第四章 实验结论实验结论 3232 参考文献参考文献 3434 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 5 第一章第一章 绪论绪论 1.1 耐热钢的发展概况耐热钢的发展概况 1.1.1 国外耐热钢的发展概况国外耐热钢的发展概况 美、日、欧等发达国家相继推出了研究计划, 如美国的 epri 、日本的 epdc 、西欧 的 cost501 和 522 研究计划, 并开发出了 p/ t91 、p/t92 、e911 、t122 等高铬铁素体 耐热钢。这些钢陆续被纳入了使用标准, 并投入到电厂的实际应用当中, 多数使用参数为 24 .1 mpa/593 /593 , 接近超超临界参数。为了真正达到超超临界参数的要求, 甚至超 越超超临界参数, 接近铁素铁耐热钢的极限使用温度(650 ), 近几年来, 各国研究者在以 往研究及使用基础上都在尝试进行钨和钴合金化以进一步提高材料的高温持久性能。我国 “863”计划中的“超超临界燃煤发电技术”课题也是以含钨和钴的新一代材料作为研究 重点1。 1.1.2 国内耐热钢的发展概况国内耐热钢的发展概况 我国北方是以煤为主要燃料，这决定了我国北方的电力结构是以火电为主，所以国内 耐热钢的发展是当务之急要研究的重点，对超超临界下的汽轮机的耐热钢的研究是至关重 要的。众所周知，煤是不可再生能源，现如今最重要的话题必然是环保，绿色能源，所以 火电厂对煤的高效利用，必须发展汽轮机的耐热钢。目前，国际上 700超超临界机组技 术正在起步阶段，这也是我国赶超世界先进水平的最佳时机，700等级超超临界机组技 术的研究列入“十二五”规划，哈尔滨汽轮机厂有限责任公司、上海电气等多家单位已经 开始初步研究工作。2010 年 7 月 23 日，由国家能源局牵头，在北京成立“国家 700 超超临界燃煤发电技术创新联盟” 。该创新联盟的宗旨是：整合各方资源，攻克技术难关， 实现 700超超临界燃煤发电技术的自主化，开辟电力节能减排新路径2。 1.2 目前用于超超临界发电机组材料目前用于超超临界发电机组材料 由于发展的需要，世界各国都在积极开发和应用超超临界火电机组，用于超超临界发 电机组的材料主要是一些具有高的高温性能的耐热钢。目前，国内外用于超超临界发电机 组的耐热钢主要为 912%cr 铁素体/马氏体耐热钢、10crmowvnbn 铁素体耐热钢、 t9l/p91 耐热钢等， 而这些耐热钢都朝着提高蒸汽参数、 获得更高的效率和环保性能方向发 展。 1.2.1 912%cr 铁素体铁素体/马氏体耐热钢马氏体耐热钢 912%cr 铁素体/马氏体耐热钢具有优良的综合性能， 在世界各国的高蒸汽参数发电机 组应用较广，新型的 912%cr 耐热钢材在节约能源、提高热效率、减少 co2排放、环境 保护方面具有重要意义，使得材料的蠕变强度3、强韧性、断裂韧性、抗低周疲劳能力及 焊接工艺性能在原材料的基础上得到很大提高，电厂设备的大修周期增加、检修时间减少 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 6 最重要的是安全运行的可靠性提高了，电厂成本降低了、效率提高了。但是新型 912%cr 铁素体/马氏体耐热钢中的逆回火脆性的作用、 碳化物 m23c6的粗化速率及杂质元素的影响 仍未消除。 大多新型 912%cr 耐热钢的显微组织(包括奥氏体晶界，板条/亚晶界，位错，析出相 等)结构大致相似。高铬钢在正火处理后可以观察到具有高位错密度的马氏体板条组织4， 回火过程中，位错组织回复，并且板条组织转变成延伸的亚晶组织，板条包含于初生奥氏 体晶界之内，拥有相对较高的位错密度，并且位错密度的高低依赖于回火条件。高 cr 铁 素体钢经过正火和回火处理后主要存在 m23c6碳化物、mx 碳氮化物、fe2m 型的 laves 相三种析出物，长期时效过程中析出 z相(cr，nb)n)。 912%cr 耐热钢利用细小弥散分布的第二相粒子提高强度。 这些细小弥散的第二相粒 子在提高强度的同时，还可通过钉扎位错、阻碍位错来进一步提高耐热钢强度的作用。晶 界和马氏体板条界上分布的 m23c6型碳化物沉淀，晶内的 v、nb 碳氮化合物 mx、m2x 都起到沉淀强化的作用。 9%12%cr 耐热钢组织结构中有多种类型的稳态和亚稳态碳氮 化合物(如 mx、m2x，m7c3、m23c6和 m6c)出现在不同材料中或同一材料不同热处理状 态下。这些细小弥散均匀分布的 mx 或 m2x 沉淀强化以及马氏体板条界形成稳定的 m23c6碳化物是使该类合金耐热具有高蠕变强度的主要原因。 9-12%cr 耐热钢在 1 100c 淬火，空冷正火处理和 750c 保温 1 小时回火处理,之 后在 650下进行长期时效处理,研究试验钢在高温长期时效过程中析出相的演化行为看出， 随着含碳量的减少和含氮量的增加，laves 相的析出明显被抑制5。 1.2.2 10crmowvnbn 铁素体耐热钢铁素体耐热钢 10crmowvnbn 铁素体耐热钢（10705aj）6是日本开发的应用于制造新型超超临界 汽轮机螺栓和叶片的钢，超超临界汽轮机发电机组构建的关键材料。10crmowvnbn 铁 素体钢是改进了的 12%cr 铁素体-马氏体钢，主要依靠弥散细小的 mx 碳化物颗粒析出来 提高其高温强度。该钢在锻后需经过热处理对组织进行调整，实现材料工作时所要求的性 能。该钢含有的微量多种类合金元素，使之具有良好的热导性、高温抗氧化性和热强性等 优良的高温性能。 要使此类铁素体耐热钢具有最佳的强化效果，就得具有适当的 mx 含量、弥散度和粒 子尺寸。 因此要改变传统的成型过程与机理使得 mx比 m23c6先形成， 从而得到更多的碳、 氮形成更多更细小的 mx 型的均匀、弥散、细小分布的碳氮化物颗粒7。 10crmowvnbn 铁素体耐热钢的常用热处理规范为在 1100和 1140淬火(油淬)1 小时640 700高温回火 2 小时，其中回火温度间隔 20,最后各温度下处理后的组 织均为典型的板条状回火马氏体。随着回火温度的上升，原奥氏体晶粒发生明显的粗化， 马氏体的板条长度和宽度也随温度上升而增大。 回火过程中，其组织中发生原位再结晶现象，而使得马氏体板条破碎，从而形成新的 晶粒。经回火后其晶粒内部有大量位错缠结，形成亚晶，使得碳化物在晶界处弥散均匀析 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 7 出，从而使得 10crmowvnbn 铁素体耐热钢具有较高的高温强度。 1.2.3 t9l/p91 耐热钢耐热钢 t91 钢在电厂管道部件中被广泛应用8,该钢的标准热处理组织为回火马氏体9-10,其 中有高密度的以亚晶界和晶内自由位错形式存在的位错11.t91 钢的高蠕变持久性能部分 来自于 mo 等固溶元素的强化作用,主要是 m23c6和 mx 等弥散析出相对维持组织稳定性的 贡献,如钉扎位错、稳定板条界面及亚晶界等.对长期服役的 t91 钢组织分析发现,其持久性 能的下降通常伴随着 m23c6相的粗化、聚集长大以及 laves 相、z 相等新相的析出现象.其 中,laves 相的析出对于含 mo 的 t91钢不可避免,因为其热力学性能稳定,而laves 相对其持 久性能的影响仍存在争议.多数研究认为,laves 相的析出导致 mo 在基体中的贫化及诱发晶 界脆性12-13,从而对持久性能的弱化起到主要作用;然而一些证据也表明,laves 相在粗化很 慢的情况下也起到强化作用。 t91 / p91 耐热钢是改良后的 cr -mo 型马氏体耐热钢14，它是在 9cr1mov 耐热钢上 降低碳含量，严格控制 s、p 的量，适当添加 v、nb 等进行合金化而成的一种耐热钢。相 对于传统的 cr -mo 钢，t91/p91 耐热钢在钢结构设计壁厚、整体重量、结构钢的设计参数 方面更有优势。 因此，在如今这个需要火力发电机组具有大容量、高参数、超临界的要 求下，为保证发电机组组件能够安全、可靠工作，提高热效率和环保性能，要求高温、高 压管道材料具有优良的使用性能，尤其要求其具有较高的高温蠕变性能和耐蚀性。而 t91/p91 钢正是以其如具有良好的高温热强性和抗氧化性能等优良好的综合性能使它能够 在发电机组件15展现其优越性，与其他合金耐热钢(如 12crlmov、钢 102 等)相比，在同样 的温度、压力条件下，钢管壁厚可大大降低，材料可大大节省，而使其在国内外的电站锅 炉的各种组件上得到广泛的应用。 现在工业上对t91/p91耐热钢比较常用的热处理工艺是: 正火( 1055 15) + 高温 回火( 765 15) ，在此之前已有众多学者对 t91 钢的热处理工艺做了大量的研究 16-18。但是，因为在实际条件下工作部件的形状、大小等都有差异，热处理中所采用的工 艺参数并不是一定的。t91/p91 耐热钢经以上热处理后其显微组织均为典型的回火板条马 氏体，但由于正火保温时间的不同，导致原奥氏体晶粒大小出现显著差异。 t91/p91 耐热钢经较长的正火保温时间钢的晶粒尺寸明显大于较短的正火保温时间的 钢的晶粒尺寸，因此 t91 钢晶粒尺寸对正火保温时间较为敏感。 由于 t91 钢是含有大量的 cr、mo、v、nb 等合金元素的低碳高合金钢，所以其强化 机制主要是通过合金元素的固溶强化和碳氮化物的第二相强化。正火条件下，固溶强化起 主要作用，回火状态下，碳氮化物的第二相强化起主要作用。如果正火保温时间较长，晶 粒会显著长大，同时若回火保温时间较短，回火程度不够，碳氮化物的第二相强化作用也 很限， 强化机制也就主要是固溶强化。 若正火时间过长， 将造成晶粒粗大， 回火时间不足， 将造成碳氮化物析出不充分， 从而导致 t91 钢的力学性能降低。 最后选取正火 1050 1h +高温回火 760 1h 作为 t91 钢块试样( 70mm 40mm 25mm) 的优化热处理工艺19。 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 8 1.2.4 cb2 耐热钢耐热钢 超超临界的工作环境要求其机组材料必须具有很高的高温性能，于是一些用于超超临 界下工作的特种耐热钢应运而生。耐热钢是指在高温下工作并具有一定强度和抗氧化性、 耐腐蚀能力的钢种。耐热钢包括热稳定钢和热强钢。其中热稳定钢是在指高温下抗氧化或 抗高温介质腐蚀而不破坏的钢种，如炉底板、炉栅等。它们工作时的主要失效形式是高温 氧化，而单位面积上承受的载荷并不大。热强钢是指在高温下具有一定抗氧化能力并具有 足够的强度而不产生大量变形或断裂的钢种，如高温螺栓、涡轮叶片等。这类钢在工作时 要求承受较大的载荷，失效的主要原因是高温下强度不够。由于耐热钢在高温下工作，一 方面高温会影响钢的化学稳定性，另一方面降低钢的强度，因此，要求耐热钢在高温下具 体来说必须具有：抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能以及抗氧化的能力；在一定的介质中耐 腐蚀的能力以及足够的韧性；具有良好的加工性能以及良好的焊接性能；按照不同用途有 合理的组织稳定性。 本文研究的 cb2 耐热钢的具体牌号为 zg12cr9mo1co1nivnbnb，是一种新型 cb2 铁素体耐热钢， 因此具有铁素体耐热钢的优良特性， 比如优良的导热性、 低的热膨胀系数、 良好的抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀性能以及较低的生产成本，可以提高发电机组的热效率， 成为 usc 发电机组用钢的首选钢种20，主要用于制造在超超临界蒸汽参数条件下工作的 发电机组的一些关键部件。 cb2 耐热钢为高 cr 的多元复合强化耐热钢, 主要采用加入的合金元素 cr、mo、co、 ni、v、nb 及微量 n、b 元素的合金化设计及合理搭配来提高其高温性能。其主要的合金 元素种类以及含量都与 t91 耐热钢比较相似， 因此 cb2 耐热钢通常的热处理工艺也与 t91 耐热钢相近。其中所加入的合金元素的目的： （1） cr 的作用： 适当的添加 cr 可使钢获得单相铁素体， 提高钢的高温抗氧化和耐蚀性能。 cr 与钢中的 c 结合主要生成 cr23c6，但加入过多会是碳化物生长，易形成铁素体，导致 蠕变强度降低，韧性和持久强度也下降。因此，在能保证高温性能条件下，尽量减少 cr 含量。 （2）si、al 和 ti 的作用：si 在钢中有害方面促进硬脆相的形成和晶界偏析，使钢的韧性 降低，引起蠕变脆断；al 在钢种也有其积极作用，可以改进高温抗氧化和耐蚀性。ti 与钢 中 c 生成的 tic 很难溶解，可以细化奥氏体晶粒，加速奥氏体的转变。ti 的碳氮化物较稳 定，钉扎奥氏体晶界，可以提高耐热钢的高温强度。 （3）v和 nb 的作用： v 是强碳化合物形成元素，耐热钢中加入 v 后可使钢的蠕变速度显著降低，提高钢的 高温持久强度。nb 是耐热钢中较重要的微合金元素，可以提高钢的再结晶温度，随之提高 钢的拉伸强度、屈服强度、高温持久强度，但是伴随强度提高的同时，也使得冲击性和塑 韧性降低。 （4）b 的作用：b 有较强的晶界强化作用可以增加高温强度，由于 b 产生的 m23(c，b)6 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 9 析出物在高温下比 m23c6稳定，并且其能防止碳化物的聚集和粗化，从而能使耐热钢在高 温下具有较高的强度。 （5）ni、mn 和 co 的作用：ni、mn 和 co 复合加入，可使钢获得单相的奥氏体，从而使 之在随后的冷却过程中完全形成马氏体组织，也可提高钢的韧性，ni 还可以提高钢的淬透 性。但是不利的是，加入的 ni 和 co 也致使沉淀粗化，而使长期蠕变强度降低。co 有利 于马氏体基体组织的形成，co 与 w 复合加入可以显著提高耐热钢的高温强度，但 co 过 来会使钢的延展性降低，且成本会增加。 耐热钢在高温下表现出不同于常温的复杂行为,由于耐热钢工作环境的特点,在耐热钢 的应用中应特别重视其可靠性和安全性,如电站锅炉中的耐热钢在高温、 高压和蒸汽腐蚀中 长期工作,管壁温度比蒸汽温度高 50左右,在这样的环境下长期运行,钢材的组织性能将会 发生变化。这些变化可能使金属的高温性能明显恶化,影响设备运行的安全性。这一切要求 超高临界压发电厂锅炉管用耐热钢应具有以下优良的性能匹配: (1)常温力学性能:高的抗拉强度和屈服强度,良好的冲击韧性: (2)高温性能:优异的高温持久强度,抗蠕变性能,良好的高温组织稳定性; (3)化学性能:良好的高温抗氧化性能,抗蒸汽腐蚀性能; (4)工艺性能:优良的热加工性能、焊接性能及热弯曲性能; (5)物理性能:低热膨胀系数和良好导热性， 电站锅炉管用钢最关心的物理性能是材料的热膨 胀系数和导热性； (6)良好的经济性能。 1.4 论文研究意义论文研究意义 由于使用火力发电所造成的 co2的排放、环境污染、能源消耗严重了阻碍了国家社会 所要求的可持续发展。而提高超超临界火力发电机组用钢材料的耐热温度、提高其火力发 电热效率对于解决以上问题具有重大意义。 而目前国内所研制的 cb2 铁素体型耐热钢是一种用于在超超临界下工作的用于制造 火力发电机组组件的耐热钢材料，提高其高温强度使之可以在更高温度下使用，进而可以 提高火力发电的热效率25，对于进一步减轻上述所说的问题也具有重大的意义。而要提高 cb2 耐热钢高温强度比如高温蠕变强度、高温持久性能等等，不仅仅要很好地控制 cb2 耐热钢的成分，适宜加入适量能够改善 cb2 耐热钢组织以及提高其高温性能的合金元素。 然而要充分发挥其所加入的合金元素的作用就必须进行适当的热处理，而时效是提高高温 性能的热处理过程中的十分重要的步骤，但是在所有影响时效效果的因素中，时效温度是 一个非常关键的因素。通过控制时效处理的时间不变，改变时效处理的温度，检测处理后 的 cb2耐热钢的组织以及性能， 探究出时效温度是如何影响 cb2耐热钢的组织和性能的， 从而找到一个适宜的时效温度使 cb2 耐热钢具有相对来说最大限度地改善 cb2 耐热钢的 组织以及提高其高温性能，从而使之能够用于超超临界火力发电机组组件的制造，使之能 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 10 够在更高的温度下工作，并且能提高其火力发电的热效率，大大减少能耗和 co2的排放， 这对于解决本文前面所说的环境污染、大气污染、能源短缺等等的问题以及促进可持续发 展都具有十分重要的意义。 1.3 研究目的及研究目的及内容内容 节约能源和保护环境已被公认为是全世界的重要课题,通过发展超(超)临界火电机组从 而提高燃煤利用率、降低能源消耗和减少 co排放量是现代热电厂的发展方向。铁素体耐 热钢以其优良的综合性能而成为超高临界压发电厂锅炉管用钢的首选材料并得到广泛的 应用。从超临界和超超临界汽轮机耐热钢的发展、组织结构、强化机理、性能、热处理和 应用等方面阐述了铁素体耐热钢的研究、发展和应用等方面的概况和发展趋势。通过分析 和实验指出超超临界汽轮机耐热钢的研究过程中存在的问题,放眼未来超超临界汽轮机技 术的发展趋势,结合国内外对超超临界汽轮机耐热钢的研究,然后对超超临界汽轮机耐热钢 的研究进行展望。 本文所用的 cb2 耐热钢材料，是一种新型的铁素体耐热钢，在淬火后回火其组织是回 火马氏体，并且是广泛用于制造在超超临界下工作的发电机组组件的材料，本实验采用东 汽提供的新型 cb2 铁素体型耐热钢，其具体牌号为 zg12cr9mo1co1nivnbnb。本实验研 究目的是 cb2 耐热钢的抗回火性，因为在实际的工程运用中，材料经过热处理以后使用过 程中还要进行如焊接等加热的操作，相当于又进行了热处理，所以本实验的研究目的就是 探究 cb2 耐热钢在经过多次回火后性能的变化， 通过多次回火处理后检测试样是否还满足 性能的要求。 研究内容是：在确定最佳回火工艺后，对试样进行性能热处理后进行 4 次回火试验并 逐次取样检测，在常规力学性能突破下限后再进行两次回火，并逐次检测。旨在研究 cb2 材质金相组织变化与力学性能在多次回火后的变化趋势及机理。 （1）将块状的试样进行磨样、机械抛光以及电解抛光处理到符合要求以后，利用金相 仪器和扫描设备观察其金相显微组织，根据金相照片以及 sem 照片分析其多次回火后的 cb2 耐热钢的试样的显微组织的变化或特征； （2）将已进行完金相观察以及扫描的试样重新进行处理，因为其试样表面可能已经形 成氧化膜或者带有其他污垢杂质，用乙醇和盐酸进行表面氧化膜的去除，重新磨样、抛光 处理以后，再在布氏硬度计上进行硬度测试，然后分析多次回火后试样的硬度的变化，研 究材料的抗回火性； （3）将片状的耐热钢试样在 2kg-30t 拉力试验机检测抗拉强度、屈服强度、等等，然 后分析 cb2 耐热钢在多次回火后的抗拉强度，屈服强度性能的变化以及特征，探究回火温 度对其性能的影响。 通过对多次回火后的式样进行组织观察及力学性能的检测(抗拉强度、 屈服强度、硬度、冲击功) 的研究，并对实验结果数据进行分析,得出材料的抗回火性能。 (4)将条状带缺口的耐热钢试样在冲击试验机下检测冲击功。 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 11 第二章第二章 实验材料实验材料、工艺、工艺及方法及方法 2.1 实验实验工艺工艺流程流程及方法及方法 实验流程说明： 下面所描述的实验流程图是本文所进行实验的思路。包括各组 cb2 耐热钢试样前期的 热处理工艺流程以及后期试样组织和性能的检测流程，流程图中对选出来的所有试样进行 多次回火工艺。热处理方法见表 2.1，第一次和第二次进行的是热处理实验，第三次回火 进行的是检验性质的抗回火性实验，第四次进行的是抗回火检验。 2.1.1 淬火及回火过程淬火及回火过程 什么是回火:将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度， 保温一段时间 后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。或将淬火后的合金工件加热到适当温度， 保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力，或降低 其硬度和强度，以提高其延性或韧性。根据不同的要求可采用低温回火、中温回火或高温 回火。通常随着回火温度的升高，硬度和强度降低，延性或韧性逐渐增高。 钢铁工件在 淬火后具有以下特点：得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等不平衡（即不稳定）组织。 存在较大内应力。 力学性能不能满足要求。 因此， 钢铁工件淬火后一般都要经过回火。 作用 回火的作用在于：提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变，从 而使工件几何尺寸和性能保持稳定。消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件 几何尺寸。 调整钢铁的力学性能以满足使用要求。 正火后的钢在室温会得到马氏体组织， 马氏体相变时产生很大的晶格畸变，在钢中会有较大的残余应力，需要通过回火来消除。 回火可以提高钢材组织的稳定性，稳定钢材的形状和尺寸，提高韧性与塑性。 什么是回火稳定性:淬火钢在回火时，抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定性。原 理: 通常情况下， 回火会导致马氏体的分解， 随着回火的温度不同， 分别形成回火马氏体， 回火屈氏体， 回火索氏体。 这些回火组织比马氏体硬度要低。 因此回火后硬度强度会下降。 回火稳定性是零件回火后的硬度与再经相同的回火温度再回火一次后的硬度差,差别越小 回火稳定性越好。一般钢中的合金元素滞缓马氏体的分解，阻碍碳化物的聚集长大，形成 坚硬的碳化物以及阻碍相的回复再结晶。这些影响的结果使淬火钢回火时变得更为稳定， 其硬度不易随回火温度的升高而降低。也就是所说的钢的抗回火的稳定性好。因而回火时 合金钢的回火时间要比碳钢的长。回火稳定性指随回火温度升高，材料的强度和硬度下降 快慢的程度，也称回火抗力或抗回火软化能力。通常以钢的回火温度-硬度曲线来表示，硬 度下降慢则表示回火稳定性高或回火抗力大。回火稳定性也是与回火时组织变化相联系的， 它与钢的热稳定性共同表征钢在高温下的组织稳定性程度，表征模具在高温下的变形抗力。 提高钢的回火稳定性：这主要表现为合金元素在回火过程中推迟了马氏体的分解和残余奥 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 12 氏体的转变，提高了铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度， 从而提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。多数合金元素，如 cr,mn,ni,mo 等均可以提高回火稳定性。 抗回火性是多次回火后其性能是否下降,测得是多次回火。 回火稳定性是单次回火时其 力学强度是否下降。 2.1.2 实验流程实验流程 试验流程如下所示: 图 2.1 实验流程 表 2.1 回火抗性实验的热处理 试样 序号 淬火/时间 第一次回 火温度/时 间 第二次回 火温度/时 间 第三次回 火温度/时 间 第四次回 火温度/时 间 1 1100/2h 730/2h 720/2h 2 1100/2h 730/2h 720/2h 710/2h 3 1100/2h 730/2h 720/2h 700/2h 1 1100/2h 740/2h 720/2h 2 1100/2h 740/2h 720/2h 710/2h 3 1100/2h 740/2h 720/2h 700/2h 1 1100/2h 760/2h 740/2h 2 1100/2h 760/2h 740/2h 710/2h 3 1100/2h 760/2h 740/2h 700/2h 金相组织检测 扫描 sem 硬度试验 拉伸试验 磨样、抛光 线切割 腐蚀 淬火 1100 四次回火 冲击实验 三次回火 二次回火 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 13 2.1.3 组织性能与检测组织性能与检测 （1）线切割 首先对热处理后的 cb2 耐热钢钢条进行线切割，切割成方便进行处理检测的形状，包括进 行金相观察以及硬度测试的方块状、进行拉伸的片状及进行冲击实验的条状等。 图 2.3 用于金相观察及硬度测试 （2）磨样、抛光处理 首先确定需要进行处理的表面，尽量选其中较平行的两个面中的一个，并尽可能平 整光滑的面。用从粗到细的砂纸逐次磨样品，逐次磨掉上一次留下的表面划痕后换取表面 较细的砂纸继续磨样，每换一次砂纸就调转 90 度来进行磨样。砂纸处理好磨样以后，随 后进行机械抛光处理，抛光时需在样品表面涂抹抛光膏，抛光的方法与用砂纸磨样的方法 相同,也是从粗到细逐次抛光。抛光后的试样表面要求光滑如镜，不允许表面存在大面积划 痕,不宜用手直接接触样品表面，以免给表面造成油污，在低倍显微镜下看不到明显的划痕 或者污垢等缺陷，抛光以后用酒精对处理表面进行清洗处理。在机械抛光处理以后，cb2 耐热钢的试样还不能达到进行金相观察以及扫描试验检测显微组织的试样的要求，还应该 要对试样待观察表面进行电解抛光处理， 选好电解参数， 电解电压 20v 左右， 电解电流 1.2a 左右，电解试样直至所需要的表面光亮无划痕。用吹风机吹干电解抛光后的样品，进行硬 度的测试。 （3）cb2 耐热钢金相显微组织观察 gx51f 倒置系统金相光学显微镜用于对 cb2 耐热钢的金相检测，以及 jsm-5900lv 型扫描电子显微镜对其进行显微组织分析，在做金相以及显微组织分析之前，应该先用重 铬酸钾以及酒精按一定比例混合所得的混合液对待观察表面进行腐蚀处理，目的是为对显 微组织进行染色，便于对金相以及显微组织进行观察，从而利于实验结果的分析。 （4）拉伸试验 利用 2kg-30t万能拉力试验机对 cb2 耐热钢片进行拉伸的力学性能测试。检测出其的抗 拉强度、弹性模量、屈服强度、断裂强度及最大伸长量等等。夹持试样，先将试样夹在接 近力传感器一端的夹头上，力清零消除试样自重后再夹持试样的另一端。如图所示试样总 长度 100mm，宽度 25mm，厚度为 2mm，平行 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 14 图 2.4 拉伸试样示意图 长度 42mm，选取的标前距为 30mm，用夹具夹紧试样进行拉伸实验，试样拉断后取下试 样测量标后距，记录拉伸强度和屈服强度。说明：拉伸的试样厚度为 2mm，试样拉伸部位 的宽度为 15mm，在拉伸试验中，在试样的中部取 30mm 的标距，试验结束后可以测得试 样标距的变化，从而知道试样的延伸性能。在两头更宽的地方为做拉伸试验时的拉力试验 机夹头的夹持部位，因为在拉伸试验中，夹具没夹持紧试样的情况下很容易出现打滑，打 滑后所测得的试样的力学性能就可能不准确，而当试样两头的宽度加大，在夹持试样后摩 擦力增大， 进行拉伸时就不易打滑使得所测得的结果的精确性提高。 在夹紧试样的过程中， 需要注意试样应该与拉伸方向平行，标距的位置尽量与夹头对齐，可保证试样被夹紧，在 软件运行测量数据之前，需要对数据进行归零，以免上一组实验数据影响下一组的实验数 据，给实验结果准确带来不便。 （5）硬度测试 利用 hb-3000 型布氏硬度计对 cb2 耐热钢试样的硬度进行测试。根据所测 cb2 耐热 钢材料的硬度在 210hbw260hbw， 以及厚度在 6mm 左右， 选择砝码的质量为所有砝码， 压头直径选 10，持续时间选 12s。在测试前将所有砝码放上，放上试样，将转盘转动至转 盘与丝杆出现相对滑动， 开启电源， 按下开始按钮， 同时顺时针转动右侧手轮 2s 左右放开， 压头开始向下压试样，并在试样表面留下球形坑。当仪器电源自动关闭后，取下试样，用 读书显微镜测试其表面的圆的直径，测三次取平均值，以减小测量误差。再根据压痕直径 和所选的压头直径查表得其所测得的布氏硬度值。其测试硬度的原理就是当压头压下的压 痕的直径越小说明其越不容易被压变形，因此测得的硬度也相应越高，所以根据所得到的 压痕直径就可得到材料相应的布氏硬度值。 (6)冲击实验 利用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样 被折断而消耗的冲击功。 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 15 图 2.5 冲击试样示意图 2.2 试样材料试样材料 2.2.1 试样材料的准备试样材料的准备 本 实 验 采 用 东 汽 提 供 的 新 型cb2铁 素 体 型 耐 热 钢 ， 其 具 体 牌 号 为 zg12cr9mo1co1nivnbnb。发展高 cr 铁素体耐热钢，在已有的添加 cr、mo、co、ni、 v、nb 及微量 n、b 元素的合金化设计的基础上，主要通过合理选择优化的热处理工艺， 控制第二相强化，提高耐热钢的高温性能。热处理可以在加热、保温或冷却过程中改变材 料组织，从而获得服役条件下需要的性能。cb2 耐热钢是一种铁素体耐热钢，与奥氏体耐 热钢相比，铁素体系耐热钢具有优良的导热性、低的热膨胀系数、良好的抗晶间腐蚀和抗 应力腐蚀性能以及较低的生产成本，成为 usc 发电机组用钢的首选钢种21 2.2.2 cb2 耐热钢材质的成分耐热钢材质的成分 马氏体耐热钢的室温组织最好是完全的板条马氏体，但是热处理加上较多种类的合金 元素的复杂影响，要得到完全的马氏体组织是比较困难的。马氏体耐热钢中经常会有铁素 体存在，分为高温存在并在淬火后仍然留在室温组织中的铁素体，以及回火时由于一部 分碳形成了碳化物而导致的基体局部贫碳形成的铁素体。钢回火后组织也会产生渗碳体， 这是冷却过程中马氏体自回火形成的。 500以上回火在马氏体板条界晶界析出 cr23c6， 它 靠消耗 m7c3形核并长大。m2x 可在很高的温度保持稳定，因此材料的二次硬化温度会升 高。高温回火析出物更加丰富：碳化物、氮化物、硼化物、碳氮化物、硅化合物、z 相、 laves 相等。 表 2.2 cb2 耐热钢钢化学成分 元 素 c si mn p s ni cr mo v co nb b n 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 16 规 格 0.10 0.14 0.20 0.40 0.60 0.90 0.01 5 0.01 0 0.20 0.40 9.00 9.60 1.40 1.60 0.18 0.25 0.95 1.15 0.05 0 0.07 0 0.0070 0.0090 0.015 0.025 控 制 精 度 0.01 0.03 0.05 0.00 5 0.00 5 0.02 0.05 0.03 0.03 0.02 0.00 5 0.0005 0.005 2.2.3 cb2 耐热钢耐热钢的常温力学性能的常温力学性能要求要求 实验采用 cb2 铁素体型耐热钢，其具体牌号为 zg12cr9mo1co1nivnbnb，是一种新 型 cb2 耐热钢，可以提高发电机组的热效率。这种 cb2 耐热钢为高 cr 的多元复合强化耐 热钢, 主要采用加入 cr、mo、co、ni、v、nb 的合金元素及微量 n、b 元素的合金化设 计及合理搭配来提高其高温性能。主要用于制造在超超临界蒸汽参数条件下工作的发电机 组的一些关键部件。cb2 耐热钢是一种铁素体耐热钢，与奥氏体耐热钢相比，铁素体系耐 热钢具有优良的导热性、低的热膨胀系数、良好的抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀性能以及较低 的生产成本，成为 usc 发电机组用钢的首选钢种22-23。cb2 耐热钢用铸造成型，其铸件 的显微组织应为均匀回火马氏体，其常温力学性要满足如下要求； 表 2.3 cb2 耐热钢的室温力学性能 抗拉强度 rm n/mm2 屈服强度 rp0.2 n/mm2 伸长率 a4% 断面收缩率 z 冲击功 kv2(j)2 布氏硬度 hb 690 490 15 35 27 210-260 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 17 第三章第三章 实验结果及分析实验结果及分析 3.1 cb2 耐热钢耐热钢显微组织分析显微组织分析 马氏体的本质是碳在铁中过饱和固溶体，对铁基合金来说，马氏体是碳和合金元素 在铁中的过饱和固溶体。因而碳和合金元素在基体中的固溶情况就和碳的含量、合金元 素的含量和种类、热处理的状态有密切的关系。马氏体的主要特点是高强度、高硬度，当 碳含量低于 0.6%时，硬度随着碳含量的增加而升高。马氏体的高强度、高硬度归功于碳 和合金元素的固溶、析出强化效应。马氏体的塑性和韧性主要取决于显微组织的类型、数 量和分布，而显微组织又和热处理工艺有密切的关系。碳化物析出分布均匀，故位错型马 氏体具有较好的强度和韧性。位错的运动缓和了局部应力集中，延缓裂纹形核并削弱已有 的裂纹尖端应力峰，因此对韧性有益。 试样的金相图和 sem 照片如下所示: 图 3.1 号试样的金相照片和 sem 照片（1）二次回火 （2）经过三次回火 （3）经过四 次回火 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 18 图 3. 2 号试样的金相照片和 sem 照片（1）二次回火 （2）经过三次回火 （3）经过四 次回火 图 3. 3 号试样的金相照片和 sem 照片（1）二次回火 （2）经过三次回火 （3）经过 四次回火 经过分析以上照片分析得出以下结论 四川大学本科论文 cb2 耐热钢的抗回火性研究 19 （1）综上所述 cb2 耐热钢试样在多次回火后对回火马氏体板条组织有一定的影响，随着 回火次数增加， 马氏体板条厚度增加,马氏体由回火之前的细的板条状变为较为粗大的片状 组织； （2）cb2 耐热钢的淬火回火态的组织为板条状的回火马氏体24，而且从 sem 照片可以 看到在晶界处分布有较多的颗粒状的析出物， 许多的研究与 cb2 耐热钢的化学成分以及组 织结构类似的耐热钢文献指出， 该析出相的主要是 m23c6 型碳化物， 如( cr、 fe、 mo)23c6 型碳化物，并且 m23c6 碳化物的析出有助于稳定板条边界25，同时马氏体板条内部还有 少量的 nbn 及 vc。 （3）将相同倍数下多次回火后的 cb2 耐热钢的 sem 照片与回火之前进行对比如图， 发现 在不同次数的试样的第二相的数量、大小、形状、分布有较大的变化。 如图所示的扫描试样照片,分析结果如下: （1）通过观察 2m 的扫描结果照片,可以看出在试样进行二次回火, 第二相出现大量的 团状聚集,第二相颗粒数目较多,第二相颗粒较大 （2）通过观察 2m 的扫描结果照片,可以看出在基础试样上进行三次回火