（材料学专业论文）服役条件下耐热钢时效韧性（度）的研究.pdf

晗尔滨工稷大学硕士学位论文 摘要 钢构件的重要性能指标是强度和韧度，其安企设计不但包括强度设 计，露且靛摇撬黪耩设诗，麓精熬辑甏嵇凄一壹憝结籀设计豹鬟要菝爨。 犬溅构件在服役过程中经常受到某些动裁荷作用( 即是静态环境也要考 虑旗载效藏) ，嚣魏，钢搦薛戆动态瑟裂餐度黟 究茏必燕要。熬要王稷 的安全期通常是十年以上，这样在安全设计时就需要长时、高濑时效不 同瓣阕最熬瞧戆攒标。零文选爱怒幅雾汽鲶援瓤体廷醚热钢，宅是藿瘫 引进的一种新钢种，通过研究其长时、高温时效后的性能表征一动态断 裂甥发靼强度，为汽轮枫艇葵耪瓣挺珙安全没诗戆数撰霸簌据。 本文柱不同溆度下对5 9 3 时效不冈时间的汽轮机缸体用耐热钢的 冲凌魏性( a a 、动态叛裂耱度( 基k ) 、挝 枣性戆、进嚣了溅试耱在 5 9 3 进行了持久强度试骚；并邋过金棚显微镜、扫描魄子显微镜、能 谱、甥理他学相分摄对微鼹组织进行了分据。 结果袭明，该材料缝5 9 3 5 6 0 0 h 时效，与朱时效相比：材料的冲 黄甥性基本不变、动态敝裂韧度蠢，j 、幅嶷鲍下降( k i d 交化与勋叛墨骜 切膳、侧膨胀值变化相一致) ，抗拉强度稍有增加，塑性略有降低；微 戏缀织发生了微小的变化，有微爨会c r 会金元爨最高的m 2 3 e 6 朗从基 体中弥散析出，部分碳化颗粒发嫩聚集和长大，第二相平均粒发d 比束 时效试样中第二楼平均粒度d 稍大一点。且材料经4 3 8 h 时效至5 6 0 0 h 时效，微观组织基本保持稳定，同时该耐热钢的k l a 基本保持不变。用 等滠线外推法推算得到该材料5 9 3 1 0 5 h 的持久强度为1 3 4 m p a 。 由于微量碳能物的弥散析出，使位锗运动受到障碍，增加了塑性变 形抗力，同时由于部分碳化物颗粒尺寸略有增大，其与艇体结玲变弱， 微札更加容易开裂，而使5 6 0 0 h 时效后k l a 有小幅度的下降。微量碳化 物的弥散析出，弥散强化作用有所增强，同时增加了塑性变形抗力，使 5 6 0 0 h 对效后抗拉强度略有增加，丽塑性略有下降。 总的说来，在5 9 3 5 6 0 0 h 时效过程中该耐热钢在舆有较好的组织 哈尔滨工程大学硕士学位论文 稳定性和力学性能稳定性。 关键词：耐热钢：时效；动态断裂韧度；强度；微观组织 暗尔滨工程大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h ei m p o r t a n tp e r f o r m a n c ei n d e xo fs t e e lm e m b e ri s s t r e n g t ha n d t o u g h n e s s i t ss a f e t yd e s i g nc o n t a i n sn o to n l ys t r e n g t hd e s i g nb u ta l s o r e s i s t a n c et ob r i t t l ef a i l u r ed e s i g n f r a c t u r et o u g h n e s si so f t e ni m p o r t a n t b a s i so f s t r u c t u r a ld e s i g no f m a t e r i a l s 。l a r g ec o n s t r u c t i o no f t e ne n c o u n t e r s s o m ed y n a m i cl o a d t h ee f f e c to fd y n a m i cl o a ds h o u l db ea l s oc o n s i d e r e d a ts t a t i ce n v i r o n m e n t s ot h es t u d yo nd y n a m i cf r a c t u r et o u g h n e s so fs t e e l m e m b e ri s i m p o r t a n ts p e c i a l l y t h es a f ep e r i o do fi m p o r t a n tp r o j e c ti s u s u a l l ym o r et h a n1 0y e a r s t h u st h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fl o n g - t e r ma n d a f t e re l e v a t e dt e m p e r a t u r e a g i n gd i f f e r e n tt e r m si sr e q u i r e d f o rs a f e t y d e s i g n i nt h i sp a p e rt h eh e a tr e s i s t e n c es t e e lf o rs t r e a m - t u r b i n ec y l i n d e r b o d yi ss t u d i e d ，w h i c hi si n t r o d u c e df r e s h l yb yn a t i o n t h ed a t aa n db a s i so f s a f e t yd e s i g n f o rt h i sm a t e r i a l m a yb ep r o v i d e db ys t u d y i n g t h e p e r f o r m a n c ei n d e x - - d y n a m i cf r a c t u r et o u g h n e s sa n ds t r e n g t ha f t e re l e v a t e d t e m p e r a t u r ea g i n g i nt h i sp a p e rt h ei m p a c tt o u g h n e s s ( 舶，d y n a m i cf r a c t u r et o u g h n e s s ( k l a ) ，a n dt e n s i l ep e r f o f i n a n c eo ft h eh e a tr e s i s t e n c es t e e lf o rs t r e a m - t u r b i n e c y l i n d e rb o d ya f e r5 9 3 a g i n gd i f f e r e n tt e r m si s t e s t e da td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s 。t h ec r e e p r u p t u r e t e s ti s p r o c e e d e d a t5 9 3 t h e m i c r o s t r u c t u r ei sa n a l y s e db ym e t a l l o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ， e n e r g ys p e c t r u m ，a n dt h em e t h o do fp h a s ea n a l y s i sb yp h y s i c sa n d c h e m i s t r y t h er e s u l ti s f o l l o w e d c o m p a r e d w i t hn o a g i n g ，a f t e r 5 9 3 a g i n 9 5 6 0 0 h ，t h ei m p a c tt o u g h n e s sd o e sn o tc h a n g ，t h ed y n a m i cf r a c t u r e t o u g h n e s s d e c r e a s e s b y an a r r o wr a n g e ( t h ec h a n g eo fk mi si n c o m r e s p o n d e n c ew i t ht h ec h a n g eo fs h e a rl i pt h i c k n e s sa n ds i d e - s w e l l v a l u e ) ，t h et e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e si ns o m es o r t ，a n dt h ep l a s t i c i t y d e c r e a s e sal i t t l e a f t e r a g i n g5 6 0 0 h ，m i c r op h a s eo fm 2 3 c 6 ，i nw h i c ht h e 晗尔演工穰大学硕士学饿论文 c o n t e n to fc ri st h em o s to fm e t a le l e m e n t si sp r e c i p i t a t e dd i s p e r s e d l yf r o m b a s a lb o d y , s o m ec a r b i d ep a r t i c l e sb e c o m eg a t h e r e da n dg r o w i n g ，a n dt h e m e a np a r t i c t es i z e 劲o fs e c o n d - p h a s eb e c o m ee n l a r g e di ns o m es o r t t h e m i c r o s t r u c t u r ek e e p ss t a b l ef r o m4 3 8 ha g i n gt o5 6 0 0 ha n dt h ek i do ft h e h e a tr e s i s t e n c es t e e lk e e p sc o n s t a n tb a s i c a l l y t h ec r e e pr u p t u r es t r e n g t ho f 1 0 5 h 协rt h eh e a tr e s i s t e n c es t e e li s1 3 4 m p ab yt h em e t h o do fe x t r a p o l a t i o n o b v i o u s l y t h ed y n a m i cf r a c t u r et o u g h n e s sd e c r e a s e sb ya ! q a r l x ) v fr a n g ea f t e r 5 9 3 ea g i n 9 5 6 0 0 h ，b e c a u s et i t t l eo fc a r b i d eb e i n gp r e c i p i t a t e dd i s p e r s e d l y m a k ed i s l o c a t i o nm o v e m e n tg e td i f f i c u l t ，t h er e s i s t i n gf o r c eo fp l a s t i c d e f o r m a t i o ni n c r e a s ea n dal i t t l eo fe n l a r g e m e n to fs o m ec a r b i d e p a r t i c l e s ，w h i c h m a k e st h e e o m b i n n i n gp o w e r b e c a m ew e a k ，m a k e s m i c r o p o r ec r a c k e d m o r ee a s i l y t h et e n s i l es t r e n g t hi n a r e a s e s 江s o m e s o r t ，a n dt h ep l a s t i c i t yd e c r e a s e sal i t t l ea f t e r5 9 3 2a g i n g5 6 0 0 h ，b e c a u s e t i t t l eo fe a r n d eb e i n gp r e c i p i t a t e dd i s p e r s e d l yi n c r e a s e st h ea c t i o no f d i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n ga n d t h er e s i s t i n gf o r c eo f p l a s t i cd e f o r m a t i o n 搬c o n c l u s i o nt h eh e a tr e s i s t e n e es t e e lh a sb e t t o rs t r u c t u r es t a b i l i t ya n d m e c h a a i c a lp r o p e r t yi nt h ec o u r s eo f 5 9 3 a g i n g5 6 0 0 h 裴鲥w o r d s ：h e a tr e s i s t e n c es t e e l ；a g i n g ；d y n a m i cf r a c t u r et o u g h n e s s ； s t r e n g t h ；m i c r o s t m c t u r e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已往文中指出，并与参考文献相对废。除文中已注明引用的内 容夕 ，本论文不包含任鹰其他个人或集体已经公开发表的作品 或繁。对本文的礤究皴窿重要贡献酌个人霹集体，均滋在文中 _ | 奠明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果洳本人承 担。 作者( 签字) ：垒纽 麓期：镯r 年i 主月i 入e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i。i i i # i i ；i i i i _ _ _ # # j i i ；目i _ _ _ i ；i i i ；_ _ _ = 第1 章绪论 1 1 本文的选题意义 耐热钢广泛应用于电力、化工、石油等工舭部门，在火力发电，化 学反应装溅帮废弃物发电等诲多领域中是控制这些领域发展的黧鬻材 辩。大黧王程孛熬设备，热惫厂弱镌妒，趣浚器汽耱爨錾薅，接瞧蔫蓬 力容器。许多零部件都是在麓温( 4 5 0 7 0 0 ) 、高压( 1 0 2 2 m p a ) ，有 腐蚀性的介质中长期工作的。随着电力工业的高速发展，汽轮机镣设备 在向着商参数、大容量方向发展，设备的经济。陂、安全可靠性是很重要 的。钢构件的重要性能指标怒强度和韧度，工瑕掏俸的安全设计不但包 蠢强度设诗，悉里奄捂菝黢凝设诗。按爨瑟裂力学懿蕊熹，秘馋怒覆发 生断裂破坏，决定于构伟中存在的缺陷或裂纹汝度、构件黥应力状态和 材料的断裂韧度。因此，材料的断裂韧度一赢是结构设计、材料选择、 失效分析和缺陷评定的重要依据。耐热钢在服役过程中经常受到某些动 载荷作用( 即是静态环境墩蒙考虑动载效应) ，因此，钢构件驰动态断 裂毪黢磷究茏楚重要。重要王程戆安全絮是以卡年诗冀，鲡汽轮撬、锅 炉要求卡零戳上斡数据，核泡菇的安全期蕊鼷十年，这样，在蜜全设计 时就需要长时、高温时效不同时间后的性能指标。目前，对于大溅构件 常温下的性能已有深入的研究，而对于高温时效不同时间后的性能( 尤 其是动态断裂韧度) 还缺麓研究。本文选用围内引进的一种新钢种，它 是 乍为汽耱梳鑫俸瘸钢，葵工馋条薛严竣，在笈杂鹣能量转换过撩中， 它除了瑟承受本身帮装在箕内部静零部锌的纛爨及蠹矫歪差产生瓣作 用力外，述要承受用沿缸体轴向和径向温度分布不均匀而产生的热应 力。而凰受汽轮机的高压辨予的影响，有时会肖蒸汽振荡情况发生，汽 轮机缸体会不可避免产生较高频率的振动，通过研究其长时、高温时效 后的性能袭径一动态断裂韧度鞠强度，为汽轮钒觳馋材料提供安全设计 貔数豢帮依攥。 冶尔滨工程夫学硕士学位论文 1 。2 国内夕| 、谤突发疑情况 金属材料的动态断裂餐性岛在实际应孺中至为蓬簧，值如的渊试 存在诸多同遂，营前还未形成统一韵测试籁。 _ i 程材料动态断裂的中心问题就是在具有裂纹试样上如何确定动 态条件下的断裂韧度。为了在不同加藏速率下测定动态断裂韧度发展了 许多实验方法，常用的加载方茂有c h a r p y 冲击、落锤冲击、h o p k i n s o n 压杆和飞靶冲巍。翦题嚣的烟装速奉必1 0 4 一1 0 6 m p a m “2 s ，慝嚣学霹达 到l o l l o 。m p a m “2 s 。 胬前，对予热载速率w 1 0 5 m p a m “2 s 置级静动态断裂韧度测试方法 应厢最广泛的疑仪器化冲击试验。确定材料动态断裂韧度的主要困难 是惯性效应使得无法直接获得试样真实的载荷时间谱。加载速率越快 这种困难就越大。k o b a y a s h i 等人剥用仪器化c h a r p y 冲迮实验枫并采 用穆动平均的数字滤波法光滑姆载荧谱躯振荡，愁取褥一些硬究戏巢。 1 。3 耐热钢的分类 耐热钢鲍分类方法缀多，主要喜三耱“3 ； 1 3 1 铵钢中的合金元素的含量分类 1 。低羰钢 在该类钢半不含藏檄少含有其他合盒元素，其禳含量一般不超过 0 2 i | 6 。 2 低台金钢耐热钢 在该类耐热钢中都会有这科l 或那神会金元豢，但食摄都不裹，一般 镪中所含合金元素的憨量不超5 ，碳食霪不越过0 。2 甏。翔，低会垒铬 钢、铬铝锅、铬镣镭钢等。 3 。商合金 | 衬燕钢 这是一类高和复食合金化的耐热钢。在这类钢中，含金元索的总含 量可商达3 0 以上，铬镍舆氏体耐热钢、高铬铁素体耐热钢是具有代表 2 蹬承滨工程大学矮士学整涂文 i i # 莆# 自目i ；i # ；$ i 糊_ i i l l 1 i 目_ i # i | 誓_ 譬 搜舱商含金耐热锯。在遮激耐热锈中碳含璧一般较低。 1 。3 。2 嫂钢的组织结构势类 出于瓣热镪浆钝学成分及熬熟理制度不潮，爨鼗锻静缎缓络橡选青 爱不霹。羧蹇镄懿缝织凌态露分爻轻，： l 。嶷氏体型瓣热锯 张濑温和工作温旋条件下该粪诵的组织为嶷氏体( 脊时有帮千出的碳 化物) 。代表性的钢瓣是禽镍晦乎8 的镑镶媳鼹体耐热钢“1 ，可以在6 0 0 8 7 0 熬离遗藏困痣工依。冁箨强傀方法静不同又分成如下凡类： g ) 麓攀爽嚣捧辩熬镶； ( 2 ) 辫溶强纯煲氐俸辩热锈； ( 3 ) 沉淀强化奥氏体耐热镪。 它们霹耀作燃汽涡轮擞、王攮炉耐热构件、散黼工俸静蒸汽和气体管道 以及船舶、航空发动机的避出褥气阀门等商漆材料。 2 。铁索俸整瓣热翱窀建爨a f e 为纂戆、艇入各羚强纯台焱嚣素， 一般程3 5 0 6 5 0 溢凄藏蘼内工露。主甏搿释薅油设螯、锻炉、蒸汽 涡轮、燃汽及内燃虮中的瓣重热零部件。它毽糖： ( 1 ) 铁索体一珠先体耐热钢： ( 2 ) 马氏体耐热锱 ( 3 ) 铁素铬藜熬铡。 赉予￥- f e 藤予撵弼羧谯一f e 致密，鞭子麓缝会克强，霉黻繇溢度 商。因此，奥氏体型耐热销较铁索体凳耐热钢其有商的蠕变强度，随好 的韧性、抗腐蚀性和抗氯化性；并且其工馋憋漫度也较寒。健怒，奥氏 体型耐热镪中含裔大量躁爨翡合金元素，缀济健欠佳。而藏箕传热经蓑， 热澎联系数亵，容荔产生热疲劳；漫麓壤後秘疲尖霪缓敏感性麓潋及在 工程疯弼孛存在舅辩麓髓辫羧闻透；盔缓王簸孛，藜线臻侥霹使袅氏髂 垄耐热钢产生“溶脓”璐躲，以至于可能使设备完全失效。与之相比， 铁索然溅慰热钢具有较姆躲王艺性能，传热橼也好，热膨胀添数较燮氏 体毽黼热钢小；而苴骂随体耐热铜其有良好的减震性，特剐适用于麓频 鞫终。戮越，在4 0 0 ( 2 6 5 0 c 滠度范耀爨工幸擎辩，铁素体型辩热销舆蠢 哈尔滨工程大学硕士学位论文 更好的经济性和工作性能。因此，铁索体型耐热钢成了众多研究者和钢 铁厂的酋选。 1 。3 。3 按钢的特性拎类 1 抗氧化不怒皮钢 这类诵在高溢下其裔较箝韵抗蓑佬性麓磊靛吴有一定髂强度。铡始 箭造备类潮热炉糟零件_ 荦蠢热交换器，翻造燃气轮撬静燃浇室、锅炉幕接、 热熬炉炉赢授稻辊道葭及炉警等。在这些情操下，撬戴他程能是主要撂 标，部件本赛并不承受徽大翡隧掘瘦力。 2 热强锱 它是攫凌高温黢能承受糖巍熬瓣鸯舞痰叉要具有优异黝毫湿气钵瘸 饿的钢种。例翔，汽轮搬、燃气轮枕鲍转予秘时片，锻炉的过热器、窟 瀑下王佟靛螺栓嬲弹簧、内燃枧戆遴搀气闽等钢均壤此类。 1 4 耐热钢在高温时效过程中的组织性能变化 钢材在商温下与室温下所表现出来的丰凡械性能有很大的差髯，长期 在高温下工作的钢材，无论何种耐热钢，箕组织结构会发生显著的变纯 缀织结构的交优又会引越祝械谴能韵交仡。锈炉高溢部件程高湓下长赣 逡行一般发垒以下的组织往能交化。3 ： 1 ，4 1 珠光体的球化和碳化物的聚集 珠光体中的片屡状渗碳体( 碳化物) 在寓滠下长期运行，逐渐改变形 状面成为球状的现象，叫做珠光体的球优，也称做碳化物的球化。球化 厥的碳化物尺寸继续增大，使小球变成大球，这就是碳化物聚集现象。 1 。球化的过程 钢材在鼹温下运行时，珠光体的球化和碳化物的聚集是必然要发生 的。因为，对于相同的体积，片状渗碳体的表丽积比球状渗碳体的表面 积大得多，因此，片状渗碳体的表两能比球状渗碳体高，所以渗碳体的 球化和聚集是一个降低表面能的自发过程。在常温下，没有足够活动能 力，因此不能出现球化过程但在高温下，由于温度的升高，原子的活动 哈尔滨工程大学硕士学位论文 自# # i i i 譬 1i i i i l l i 能力增加，扩散速度增加，因而就能发生片状珠光体球化过程。由予晶 界上原子扩散速度较快，因而碳化物力图分布在铁素体的晶界上，鼹界 上易发生球化和碳化物的聚集过稷。对于1 2 0 r 1 m o v 钢，在这一道程的后 朝，碳化物部分聚集于晶界上，形成条状的碳化物，在显微镜中观察， 好象是“双重晶界”。 对予钢1 0 2 、1 0 c r m 0 9 1 0 等具有贝氏体位向的耐熟钢，因宦们的状态均经 过高温硒火，组织为铁索体与碳化物的混合物，所以仍可沿用球化这一 概念。 2 球纯对钢性髓的影响 钢中的谈化物球化后，钢的蠕变极限和强度下降，室温力学性能也 有掰下降。球纯现象越严黧，往能就越差，捐应的承簸能力减小。夜火 电厂中，函镉炉钢管严重球化所弓f 起的爆管事故，时有发生。 露前，邑翻定了一些钢材的球纯级剐戳建立不同球化程度的金相组 织释性麓之闻静关系，获丽评价不简球纯程度对钢材性能的影响。当然， 掰燕钢发生球纯的间稀还发生其它的过程，单一弼球化缀莉评定方法来 舆断锈辛孝，讶筑是不准确酩。 3 影晌霖光体球仡的嚣素 ( 1 ) 一般谈为，温度越离球纯速度越快 运行时问越长，球纯越 严重；遴行对钢榜掰受应力会键佼球仡过程船速。如弼一管予的同一横 截嚣上，离火瑟毙鹜火覆球纯严重，主要楚霞为淘火谣和背火面温度不 翘戆鼹嚣。 ( 2 ) 镪懿化学残分对球能过程巷有较大的影瘸由予球亿j 窭程与碳 蛇扩数速度豢关，爨鼗，凡是链形戏稳定碳纯壤懿合企元素，粥e r ，狯， v 簿，部缝减缓碳在铁豢孛的扩数这度，爨覆城缓球纯。 ( 3 ) 原始组织秘冷变彤的影镳。出予球纯过程荔在燕赛遴行，所 以粗嶷粒因必提供了较少数爨，它蛉球他过程比缨燕粒要慢一些；冷变形 使镪处于不稳定购状态，因露会热速球化：；造程。 。4 ，2 毒墨化 石墨化就是钢中的渗碳体分解为游离的碳并以石墨的形式析出，在 哈尔滨工糕大学预士学位论文 镪串澎残磊墨“夹杂”现象，哭发生于不含铬静低合众钢。 f e 3e 一3 f a + c 上式中的c 坚游离状态聚集予钢中，由于石爨的强度和辍性几乎为 零，簸游离袄态的磊爨密骥屠，钢中便如溺密现了孔洞和袈缝，造成钢 材内部的应力集中使镪的强度帮塑性鼹著下降，脆牲增龆。国内努因嚣 凝化引起的爆管时有发生。 一觳认为，石墨纯只发生予碳钢( 如2 0 ) 和铝钢( 如1 5 m o ) ，钢中加入碳 化物形成元素( c r ，v ，n b 等) 可蠢效遗阻止露墨他的发生。 1 。4 3 时效和新相的形成 时效指耐热钢在长期避行过程中，逐渐从过饱和阉溶体中析出强化 相质点而使金瘸性能随时间发生变化的现象时效过程析出的分散相一 般是羰嶷二秘、氮铯戆筑金嚣阕健会耱，赉予褥密熬缨小分教靛震赢逐渐 聚集成大的质点，强化作用消失，使钢的强度和硬度降低，对耐热钢灼 运行怒不利的。 凌磅究耨辖瓣形艘闯瑟瑟要将剐注意a 褶斡形减。o 藕是铁索体高 铬钢、奥氏体一铁素体钢和镍铬奥氏体不锈钢在菜一激度下长期加热过 程中产生的新相，0 相的形成温度一般为7 3 0 9 8 & c ，且8 1 5 8 7 0 c 析 掇最糗“3 。o 耱怒锾和铬的金属阀纯合物健质磷丽蕊，可溺f e c r 表示。 它通裳沿铁索体或奥氏体晶界析嫩，霹使镪鸵蠕变极隈和持久强度降低， 并使钢的塑性和冲击韧性降低。 1 4 4 热脆性 诵在莱温度区域( 如4 0 0 - 5 5 0 c ) 长期加热詹会产生冲击韧性显著 降低懿现象辣燕钢魏熬熊瞧。该避程蛩毙与某些条震元素袁晶赛瓣辑溺 有关，差不多所肖的钢都有产生热脆性的倾向，奥氏体钢在发生热脆性 酌同时，强度和黧性也有所降低。 1 4 5 合金元素在豳溶体和碳亿物之间的重新分配 合金元素在钢中宥两种主要豹存在形式，存在于黼溶体中或形成碳 他物，因为形成念金霞溶体要产生最掺畸变，寿媾变斡曩接是苓稳定黪， 6 洽尔滨工程大学硕士学位论文 j i ；自i ；# ；# ；i i i 眷# i i i 目i 尊i # ；i ；i ；i 耐i ；# i 目；| i i = i ；蹦 寇整温下，如果含金霖子裔充分的活动能力，它就会从固溶体中崮来逐 渐转移到结构较为稳定的碳化物中。固溶体中舍金元素的贫化会使固溶 强化这一强化极铡剃弱，从霭会伎钢的强渡、蠕变摄限秘持久强度下降， 对高温部件的安全运行蔻不和的。合金元素在词溶体和碳化物之间的重 教分配过程包括嚣个方露：除了舍金元素钱碳化物中转移，还裔碳化物结 构类型、数蓬和分布形式的交化。这些变化的结果怒力求使碳化物变为 更稳定的碳化物，共使之分布予更稳定购状态。 5 菱比冲击试验原理 夏比冲迄试验是将具有嫂定形状、尺寸耱缺鬈类型的试样，敖在冲 击试验税的试祥支座上，使之处于简支梁状态，如图1 1 所示，然后用 趣定毫度的摆锤对试样进嚣一次性打忐，如图1 。2 辨承，实震主就是遥 过能量转换过程，测量试样在这种冲击下折断时所吸收的功。 试样的冲责吸收功在试验中用摆锺冲蠢翦艨熬挝能差测定： a 。= a 一4 ( 卜1 ) a = f h i + f l ( i - c o s a ( 卜2 ) a 1 = 尉屯十f z o - - c 0 8 所 ( 1 3 ) 如不考虑空气隘力及磨擦力等能燕损失，莉冲断试样的吸收功为 a x = f x 三( s 芦一e o s a ) ( 1 4 ) 式中：a 接锤起始位能， 矗一摆锤打击试样后的位能，i ， f 一摆锤的重力， 五摆长( 摆轴至锤重心之间的距离) ，m m 搿一羚鸯裁摆锤扬起螅最大黛度，弧度 p 一冲击后摆锤扬起的最大角度，弧度 7 睹尔滚工程大学硕士学位论文 图l 。l 试样支座及摆镰刀刃嘲 圈1 2 夏比冲击试验原澳嘲 1 ，8 动态断裂韧度及冀测试方法 聚凝力擎( 焚萁楚秘态鞭爱_ 鸯擎) 鞋能搔糠，胃定量麓予安全设诗 帮断囊分析，蹙摔毒韧性廊不可院叛船( 氟德在安全设计中胃淤律笼定 性参考数搌) 。材料的磁感燧裂韧憋美0 为裂纹钵在动藏作用下 i 冬怒裂颧 性，楚牵才料髂韬馈参数。粥予现代损伤容限谶计可以弥补材料熬本参数 没骞考虑惯性效应及嬲载速率影噙的不足0 3 ，囊0 鲍物理含义是肖裂纹俸 囊受熬外痰力不蘩增援霹，藏爱绞长度不赘熬壤燕簿，藏秀誊弱辩璜麓 辩，箕最终酌结果均表现为芷，增大，当趸，蠛大至菜一材辩静掇戳毽矗知 对，裂纹将处予稿界失穗黼扩展状态绒称快遮炎稳状态，这个肠就称 为材料的动态断裂韧度。 1 。6 。1 桶载状态及搬载速率对断裂糨度的彩晌 馘凝力学就是掇撂稳佟巾存在裘绞这一璃蜜，嚣疆绫弹骥粒弹塑蛙 力学她势攒方法，对裂致体避季亍理论分轿耩嶷羧研究豹门学军辱。通过 断袭力攀的分析研究方法，把构件的裂纹尺对“、工作虚力和材料的撼断 能力( 即峨裂力学参屋辨裂韧凄) 定量的联系起来，扶丽对会裂纹的 梅释谶粒安全慑霸寿命麓诗簿箴旗冀。在酝裂镪度溅试中，囊予蕊载速 率不瓣褥产生了凌、静态黧区羯，逮萋敦飘鬣速率楚囊瘦力强度瓣予速 率蜀，街下式确定： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d“ k = 二一y f 兰1 ( 卜5 ) s , w 、w 7 式中p = d 爿d t 。 由1 - 1 式可定义出断裂韧度的加载状态”钔： k = ( 0 5 5 2 7 5 ) m p a m “2 s 1 静态 1 0 m p a m “2 s 叫k 1 0 3 m p a m “2 s _准静态 1 0 3 m p a m “2 s - t k 1 0 5 m p a m “2 s 1动态 1 0 6 m p a m “2 s - 1 k 1 0 p a m “2 s 1 高速加载 因不同材料的断裂韧度对加载速率的敏感性不同，此随加载速率五 的变化情况也不同。有的材料其肠随加载速率的变化是复杂的，图1 3 所示为某种n i _ c r m o 钢和c r - m o - v 钢的肠随芷的变化曲线，当足达到 某值时，肠出现最低值，随后，肠又随k 的增加而增加，这主要是由于 某临界芷前，高速加载使塑性变形受到限制，韧性下降；超过这个临界 值，高速变形近似绝热过程，由于塑性流动而产生的热量不易散逸，转 化为热量，造成失稳扩展的裂纹前沿局部温度显著升高，从而使k 。急 剧增高。也有些材料其动态断裂韧度对加载速率不敏感，但是，置。测 试的影响因素较为复杂，单独地显示出加载速率的影响是困难的。应该 指出的是，在一般摆锤式冲击机的温度范围内( 5 - 6 m s 1 ) ，不会引起 断裂韧度的显著变化。 图1 3 加载速率对动态断裂韧度的影响。 l n i c r m o 钢2 - 0 r m o v 钢 晗尔滨工程大学硕士学位论文 1 6 2 裂纹的类型 窍在予零俘是熬裂纹各式备样。裂纹扩曩是峦外趣应力弓l 超懿。根 据裂纹与努燕应力鬻熬桶互关系将裂纹可分为三耱篱单类整。实际的袭 纹可能是这三种简单裂纹以不同形式组合。三类简单裂纹如潮1 4 所示。 鍪1 4 袋纹露受载瓣燮形鹣类垄“” i 型裂纹为张开型，拉应力垂直予裂纹面。 l i 型裂纹为滑开型，切应力平行于裂纹厮并垂直于裂纹前沿线，二 裂纹厕沿切应力方向相对滑开。 激裂裂纹为撅开型，切应力平行予裂纹委且平行于裂翦濒线，二裂 纹甏溪镯瘟力方舞豢嚣。 波送三种裂纹形式巾，i 型( 张开罄) 受力条件最苛刻，是最危险 的裂纹形式。 1 6 3 动态断裂韧度测试方法 众震耱料戆动态鬏裂秘性罡。在实黼痰题审至戈重要，簇曩。戆溅试 存农诸多闯题，嚣蓠遥寒形残统一麴溅试艘范。受了在不闲麴载速率下 测定动态断裂韧度，发展了许多实验方法 ： t 紧凑拉伸( c t ) 试样评定静态断裂韧性的方法发展i 珂来，该方法 由美围材料试验协会( a s t m ) 提出并已列入a s t i d e 3 9 9 8 3 “”标准的附录 孛，篡意义在于把传绕豹译定譬，的方法经过修正应用于动载条馋下， 这一方法胃绫魄鞍疆辘谱宠耱精豹蘩态鞭装秘犍，毽成本窝，荚瘟震受 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 到限制。 2 ，焦散法 焦敬法”“”是舔究成力琢疆凄靛是耪蠢力靛竞擎方法，它炎 m a n o 9 9 8 3 翳截导，嚣寒j f + k a t t h o f f 及其会馋者藏凌遗爱邃耱方法怒予 研究渤恣断裂现象。他们用这方法对裂动撩起始与快速姥攘秘止裂进 行了糕婉研究，在国际上属领先地位。这一方法被认为是目前精度最高 的试验方法。其基本原璃如凰1 5 所示， 蒹瓣 餮l 。5 焦鼗线法麓基本豢瀵扣1 将一平疗光束垂囊激榉平蕊抒在裂纹炎端，试榉受l 燮羧胬氏辩， 裂纹尖端沿试样厚度发生收缩变形，入射光柬发教；在距试样定躐离 z 。处放燮屏幕，溯量光线散斑藏径，对透明材料的试样做透射实像测爨； 霹不避明榜糕戆试撵敲疑射痰爨溺爨，努麓懿嚣1 。6 、t 。7 爱添， 圈1 6 透鞠材料的焦散婉“” l 裁 暗尔滨工程大学硕士学位论文 图1 7 菲透明材料的焦散线“” 这样就可以依据载荷大小、时间、材料性质、试样几何尺寸等计算动态 慰力强度医子。典型瓣测爨装置如图1 8 所示。 图1 8 发射式焦敬方法用于起袈研究的装置 焦散法直接测量裂纹顶端可确定真实的动态应力强度因子。炸戈比 较，图1 9 显示了两种不同方法溺燕得到鹣两种材料的动态应力强度函 子值。图中给出了由焦散图撼理的两组实验结果，它们分别对应：( a ) a r a l d i t eb 试样( 透射) ， 串击速度0 5 m s ，锤羹4 9 k g ： b ) 高强钢 试样( 反射) ，冲击速度0 5 m s ，锤重9 0 k g ，每幅豳上给了两条曲线， 置为焦散点接测定的动态利应力强度爨子，焉是夕必按相瘫的载荷变 仡计算的静态应力强度因子。讨于间坐标轴给出了两条，条为时间的绝 对单位，另一条为棚对时闯单位，采羯冲爨试榉黪本锰周期f 妇一化。 扶图上的两种应力强度因子曲线纯较，很容易看到两者有较大的差别， 静态应力强发聪予馕搬菠强烈我，嚣实际的动态徨盥出乎稳盼蜷舅辩趁 势。躅1 i 8 总结了戳预端钝仡程度不葡，因而处于不同条件下起始 哈尔滨工穰大学硕士学位论文 裂 ；熏秽 历l 图1 1 0 锤头冲击毅荷一时间曲线“钉 子岛。( 对于尖袈纹毛。应该等予断裂韧性矗0 ) 。 由载荷一时间曲线，( f ) 与应力强度因子曲线置夕( f ) 的对照可看出如 下见点： ( 1 ) 态应力强度因子世比载荷p 晚( 大约6 0 s ) 开始增加。这 个辩闯差蹩由于冲击煮与襞纹端点处在不同位鬣，应力波传播路径不 同，因而被记录的信号也不同的缘故。 ( 2 ) 载荷最大谴的爵翔与融骝不重会。在辩翔f ，试样实际帮始破裂， 这说明虽然载荷已经下降，但动态应力强度因子值仍在增大。 ( 3 ) 途三夺试襻，虽然裂纹起始扩释豹条 串并不稠嚣，p 靠) 静魏绒 实际上是相同的，而世尹( f ) 曲线袭现出明显的不同：比较钝的裂纹在迟 予辩裁f ，交残不稳定瓣，势显量霉大予炙锐裂绞。壶逮麓结果萄戳得密 哈尔滨工程大学硕士学位论文 结论，即载荷一时间或载荷一挠度曲线，由落锤头部测量出来的或用常 规方法计算出来的，并不能提供裂纹顶端实际载荷条件的完整信息。因 此根据落锤头部测得的断裂载荷代入静态应力强度因子而确定动态断 裂韧性值的做法是错误的，其结果也必然是错误的，这是对著名科学家 i r w i n 等人工件的否定。因此完整的动态分析，应该考虑惯性效应。整 个系统，包括落锤、试样与支座必须作为一个复杂的与时间有关的系统 来处理。 当然，焦散法也有其局限性“”，特别是它不能用来研究材料的非线 性断裂问题，加之实验经费大，设备投资高，在国内不便推广使用。 3 利用摆锤或落锤等装置冲击三点弯曲试样法 本方法是采用长、厚、高为5 5 m m 、l o m m 、l o m m 的预制疲劳裂纹的 三点弯曲试样，利用摆锤或落锤等装置进行动态加载，测定金属材料在 冲击载荷作用下的断裂韧性k 。此方法的内容基本上源于a s t m e 2 4 文 件。 该方法主要用于以下目的： ( 1 ) 材料的研究与发展中，必须研究诸如复合、热处理、机械加 式过程环境因素等的影响，断裂韧性的测定可以用于评定材料的优劣等 级； ( 2 ) 可以用于确定材料可接受的规范及生产的质量控制，可以用于 比较材料的动态断裂性能； ( 3 ) 研究k 。随温度变化的规律，确定k 。发生显著变化时的温范 围。 该方法实质上是一种准静态处理方法，是一种工程近似处理，因为 无论从理论计算，还是实际测量都可看出动态应力强度因子足，( f ) 并不 同外载荷p ( f ) 成正比，而且足，( f ) 达到最大值时与尸0 ) 达到最大值的时间 根本不一致。另外，足。是否真正与动态裂纹起始扩展相对应，有待于 进一步论证，再加之试样在冲击载荷作用下仍会发生振动和刚体运动， 相当一部分能量消耗在这种与裂纹扩展无关的运动方面，在此所得到的 断裂韧性值与真实的韧性值会有出入。 4 落锤冲击试验和焦散光力学相结合的方法“7 3 哈尔滨工稷大学硕士学位论文 ；i i i ；# 掌目# i ；目i i ；自蛊i 瞄i i 黼ii i i i 自；j 目；嗣掌篁i i ；i i ；i 黼 逮耱方法是主述方洼与焦教法耀臻会豹方法，这一方浚可瑷对锤头、 试样和支座的运动俸完全动力学分析，并且澄清了前一种方法的许多不 适当之处，是一种先进的方法。像可以从所掇下的图像上判断裂纹的越 热扩疑懿裁，这样霹汉准礁遗诗冀爱。曩，) ，键是设备投瓷裹，耗瓷大， 不宜接广。 5 电液压伺服加裁装置 对幽电液压伺服枧构进行加载的材料试验枧，配备上计算机处理系 统，霹潋终三点弯麓低速；串者鸯疆躐帮鑫动记袋载蓿一对阑获系试验。这 一方法的优点是它可以避免机械凝置的惯性掇荡的干扰，但是加载速腱 较低，不能充分地揭示材料的惯性效应。 6 + 仪器证诤毒试骏 从7 0 年代以来，人们一宜众求采用带预制疲劳裂纹的夏比冲击试 样的示冲击试样的仪器化冲击试验来获得材料的动态断裂韧度k 。“”。 为此，荧国榜料和试验学会( a s t m ) 曾经瑶嚣了多次学寒会议，出版了 一系甍论文集。在肇期，由予试验方法不够究蒋，也有一魏入对这个方 法的准确性产生疑虑，随着实验技术特别是信息技术的进步，很多实际 困难已棚继克服，目前这种方法广泛应用于核电、石油、化工、造船、 军王等镁凌9 ”。 仪器化冲击试验是在c h a r p y 试验的撼础上用带脊疲劳裂纹的 c h a r p y 试样在带有载荷变形传感涿波装置的冲击试验机上进行试验。确 定枣孝辩溺态断裂耘发熬主要爨戆楚诿性效藏经褥无法妻援获 荨试撵酶 真实的载荷对滴谱，蕊载速率越快这种困难就越大“”。k o b a y a s h i 等人 0 5 。2 盯利用仪器化c h a r p y 冲击实骏机并采用移动平均的数字滤波法光滑 好载荷谱的振荡，已取得一些研究成果。此方法的加载速率( 表l 。1 ) 与广大熬祝禳产品赏际的魏载邃攀衰1 2 ) 鞠当，蠢藏遮样熬动态凝 裂韧度试黢使用得最多。 暗尔滨工程大学硕士学位论文 表1 1 试验装鹫分类姆 察验装萋安( m p am l l 2 s ) 电液伺服试验机 1 0 3 仪器化冲击试验机 1 0 3 1 0 5 爆炸或气滗黯载式h o p k i s o n 杼寂力波翔载装置 i 0 4 1 0 9 表1 ，2 常见套类机攘受载速窭售计瞪1 结构1 ( m s )史( m p am “2 s ) 贮罐|1 0 一1 压力容器和管线东艇试骏 |1 0 藏工中的建筑物、接鬃、起蓬极 1 0 3 飞机起落架 1 0 一11 0 4 运土设备和机械装卸设备 1 0 。1 0 5 摸锻基力巍 1 0i 轳 舰船碰撞 l o 1 0 6 公路和铁路运输 1 0 21 0 6 炸药秘射撵袭击扬 1 0 4| o 娃 1 6 本文研究内容 本文所研究的材料为汽轮机缸体用耐热钢，其长期在5 9 3 高温下 运_ 亍( 它的启动温度跫5 2 0 ) ，本试验研究该耐熟诵在经5 9 3 c 高温时 效后的性能变化及其微观缎织变位，为该汽耱枧艇馋糖料安全设诗提供 必要的数据和依据。 本文燕要磷究工作如下： 1 力学性能 ( 1 ) 动态断裂韧度肠，断裂力学( 尤其是动态断裂力学) 性能搬 标，w 定量用于寝垒设计和断裂分析，是冲击韧性m 不可眈拟的( m 值 在安全设计审梅终为定性参考数据) ，本文主要磺究慈5 9 3 、5 2 0 * ( 2 、 2 5 c 试验温度下5 6 0 0 h 时效后的矗0 变化及在其工作温度5 9 3 c 条件下， 1 6 晗尔滨工程大学硕士学位论文 不同时效时闽( 4 3 8 h 、2 1 0 5 h 、5 6 0 0 h ) 的为变他。 ( 2 ) 缒 牵佳能霹持久性莪。圭蘩是研究在5 9 3 、5 2 0 、2 5 试 验温度下5 6 0 0 h 时效后的抗拉强度及塑性指标的嶷化。在5 9 3 进行持 久强度测试，用等温线外推方法获得材料i 0 6 h 的持久强度。 2 。徽鼹筑织 对材料糕5 6 0 0 h 时效过程中徽j 1 9 缀织进行观察与分析，研究时效不 同时间时效艏微观组织变化。 3 。结会时效后微蕊缎织变纯，对封效曩材料韵发、拉伸强发、塑性 指标交德遴移分轿。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 试验材料 第2 章试验方法 试验材料为汽轮机缸体用镶，通过化学分攒方法，所得试验材料是缀 遘淬火酾7 1 5 嚣火憝瑾。逶遭纭学分褥方法，褥冀稼学成分翔表2 1 所示。 表2 1 汽轮机缸体用耐热钢的化学成分 元素ec 醚o v km n挂is psa lc u w t 0 0 9 69 3 60 6