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1、第四章,长期在高温条件下金属材料,组织结构与性能的变化,珠光体的球化和碳化物聚集,1,、珠光体的,球化,定义：,当温度较高时，原子的活动力增强，扩,散速度增加，片状渗碳体便逐渐转变成球状，,再逐渐聚集成大球团的现象。,20,号钢珠光体球化金相组织图,（,a,）未球化（原始态）组织,250,；,(b),球化后的组织,500,2,、球化对金属材料性能的影响,（,1,）对室温机械性能的影响,珠光体球化会使材料的室温强度降低,（,2,）对高温机械性能的影响,珠光体球化会使材料的的蠕变极限和,持久强度明显下降,3,、影响珠光体球化的因素,?温度的影响,?化学成分的影响,?应力作用的影响,?晶粒度的影响,
2、?冷加工变形程度,4,、珠光体球化的级别,球化级别的划分的依据：,是以球化的组织状态和相应的机械性,能来表示。,20,号低碳钢各球化级别相应的碳化物分析数据,球化级别,1,级,2,级,3,级,4,级,5,级,碳化物平均尺寸,（,m,?,）,1.0391,1.0923,1.2432,1.7906,2.7916,碳化物最大尺寸,（,m,?,）,1.9968,3.3823,3.8785,5.6848,7.6470,碳化物面积百分比,（,m,?,）,0.0384,0.2885,0.5920,0.9176,1.2301,20,号低碳钢珠光体球化级别标准与组织特征,名称,球化级别,),(,MPa,b,?,
3、),(,MPa,s,?,(%),?,HB,组织特征,未球化,第一级,519.9,347.3,30.0,150,155,珠光体中的碳化物略呈片,状,倾向性,球化,第二级,485.6,300.2,29.0,146,150,珠光体中的碳化物开始分,散；珠光体形态明显,轻度,球化,第三级,456.2,277.6,31.0,121,124,珠光体区域中的碳化物开,始分散，并开始逐渐向晶,界扩散；珠光体形态尚明,显,中度,球化,第四级,416.9,204.1,33.4,110,122,珠光体区域中的碳化物已,明显分散，并已向晶界聚,集；珠光体尚保留其形态,完全,球化,第五级,367.9,196.2,35.
4、8,104,107,珠光体形态已消失，球状,化碳化物分布在晶界及铁,素体基体上，分散度较大,严重,球化,第六级,359.1,188.4,38.8,99.5,104,晶界及铁素体上的碳化物,已逐渐长大，分散度大,5,、材料发生球化后的恢复处理,已发生球化的钢可采用热处理的方法,使之恢复原来的组织。将已发生球化的珠,光体钢加热到完全变成奥氏体组织的温度,（略高于,900,），保温一定时间（约,1,小,时左右），由于相变与再结晶，在冷却后,可得到原来的金相组织，从而消除了球化,现象,石墨化,1,、石墨化的产生及对材料性能影响,定义：,是指钢中的渗碳体分解成为游离碳，,并以石墨形式析出，在钢中形成石墨
5、夹杂,的一种组织转变。,性能：,石墨化现象的发生会使钢材性能恶,化，脆性急剧增大，容易导致钢管发生脆,性爆破事故。,石墨化条件：,高温、应力、温度（,450,700,）,反应式：,（石墨）,组织变化过程：,片状渗碳体,球状渗碳体,分解为石墨点,长大成球,逐渐发展为球状、团絮状和,链状,2,、石墨化的级别,钢材石墨化按石墨化面积、石墨链的,长度、组织特征及其机械性能，通常将,石墨化分为,4,级：,1,级,轻度石墨化,2,级,明显石墨化,3,级,显著石墨化,4,级,严重石墨化,石墨化级别及其机械性能,级别,(%),?,(%),?,),/,(,2,cm,J,a,k,弯曲角,石墨化面积,(%),石墨链
6、长,(,m,?,),1,24,50,80,90,o,3,20,2,1030,1550,50100,50,o,100,o,?,37,?,2030,3,620,620,2050,20,o,70,o,?,715,?,3060,4,10,10,30,30,o,1230,?,60,石墨化的级别对应的机械性能,石墨化的级别对应的组织特征,石墨化级别及其组织特征,级,别,特,征,名,称,图号,1,石墨球小，间距大，无石墨链,轻度石墨化,图,3-3(a),2,石墨球较大，比较分散，石墨链短,明显石墨化,图,3-3(b),3,石墨球呈链状，石墨链较长，或石墨聚集呈块状，,石墨块较大，具有连续性,显著石墨化,图,
7、3-3(c),4,石墨呈聚集链状或块状，石墨链长，具有连续性,严重石墨化,图,3-3(d),石墨化评级图,(a)1,级；,(b)2,级；,(c)3,级；,(d)4,级,3,、石墨化的影响因素,?,温度、时间,?,化学成份：铬、钛、钒、铌等防止石墨,化。硅、铝、镍等却起促进石墨化。,?,晶粒大小,?,冷加工变形程度等存在的应力问题,合金元素在固溶体和碳化物,之间的重新分配,1,、合金元素的重新分配过程,定义：,合金元素随时间由一种组织组成物,向另一种组织组成物转移的现象,分配特点：,固溶体中合金元素的含量逐渐,减少，碳化物中合金元素含量逐渐增多，,即合金元素由固溶体向碳化物转移，使固,溶体中合金
8、元素贫化。,性能变化：,钢的固溶强化作用显著降低，,同时沉淀强化的作用也减弱，因此材料的,强度、蠕变极限和持久强度下降,影响因素：,温度、时间、成分（特别是含,碳量）、应力,发生原因：,合金元素原子溶入铁素体,固溶体,产生,晶格畸变,晶格不稳定,在高温的作用下,合金元素原子从固溶体中转移到结构比,较稳定的碳化物中,固溶体的贫化,合金元素的重新分配过程包含两个方面：,?,固溶体和碳化物中合金元素含量的变化，,亦即碳化物成分的变化；,?,碳化物结构类型、数量和分布形式的变,化。,2,、固溶体和碳化物中合金元素成分的变化,（,1,）低合金铬钼钢,(a)15CrMo,钢,(b)12MoCr,钢,管道用
9、钢碳化物中的钼质量分数与运行时间的关系,12MoCr,钢长期在,510,下运行时碳化物成分的变化,运行条件,碳化物中合金元素的量占钢中,合金元素量的百分比（,%,）,铁素体的显微,硬度,Hu,20,温度（）,时间（,h,）,Mn,Cr,Mo,（载荷,20g,）,未运行,510,510,510,未运行,45141,90329,106765,10.2,23.1,27.9,29.1,11.3,23.6,18.1,24.0,2.7,24.2,41.5,55.3,160,140,146,143,12Cr1MoV,钢经长期运行后碳化物成分及钢的热强性的变化,运行条件,碳化物中合金元素的量占钢中,合金元素量
10、的百分比（,%,）,蠕变极限,540,10,1,7,?,?,?,(MPa),持久强度,540,10,5,?,(MPa),温度（）,时间（,h,）,Cr,Mo,V,未运行,540,540,540,未运行,22065,54849,106000,13.6,9.4,20.0,22.0,24.3,*,45.0,*,57.0,57.0,69.6,*,90.0,91.0,93.0,96.7,*,73.6,68.7,117.7,103,更正,（,2,）低合金铬钼钒钢,3,、碳化物结构类型、数量和分布的变化,变化的原因：是使碳化物由亚稳定相,向稳定相转变,蠕变过程中碳化物结构类型的变化,钢种,温度（）,时间（,
11、h,）,碳化物结构类型,12MoCr,未运行,510,10,未运行,90329,107675,C,Fe,3,（,C,M,3,）,+,少量,C,Mo,2,。,C,Mo,C,M,C,Fe,2,3,3,),(,?,为,主,3,7,),(,C,Mo,Cr,及,少,量,M,C,6,为次。,C,Mo,C,M,C,Fe,2,3,3,),(,?,+,少量,C,M,6,12Cr1MoV,540,540,540,540,90000,101794,106000,110660,VC,C,Fe,?,3,为主,3,7,2,C,Cr,C,Mo,?,为次。,VC,C,Fe,?,3,为主,3,7,2,C,Cr,C,Mo,?,为
12、次。,VC,C,Fe,?,3,为主,3,7,C,Cr,为次,C,M,6,少量。,VC,C,Cr,C,Fe,?,?,3,7,3,为主,C,Mo,C,Cr,2,6,23,?,为次。,102,12Cr2MoWVTiB,620,6,23,3,7,C,M,C,M,VC,?,?,?,3,7,C,M,VC,?,?,C,M,6,Mo,Cr,1,4,1,2,?,C,M,C,M,6,3,7,?,),(,2,3,3,C,M,C,M,C,M,?,?,6,23,C,M,碳化物的形状：,当晶粒内部析出细小的针状,时，,钢的热强性提高；当细小的聚集粗大时，,热强性降低。,碳化物的分布状态：,碳化物首先在晶界析出，使晶界性质
13、,发生较大的改变；当碳化物聚集在晶界上,呈连续膜状时，削弱了晶界强度，从而产,生蠕变裂纹，甚至造成沿晶脆性断裂。,材质退化对低周疲劳特性的影响,1,、汽轮机转子材料的软化特性,运行,140,000,小时的汽轮机高、中压转子的软化,2,、硬度与低周疲劳特性之间的关系,Timo,曲线,曲线,30Cr2MoV,钢曲线,材质退化对蠕变特性的影响,转子的运行温度和断裂时间仍然可以用,Larson-Miller,参数,P,描述：,Larson-Miller,参数,P,与,HV,存在有下述关系：,1,、硬度与蠕变断裂特性之间的关系,不同硬度下的,Cr-Mo-V,转子钢的蠕变断裂曲线,2,、硬度与最小蠕变速率之间的关系,最小蠕变速度与蠕变断裂寿命之间的,关系可以用,Monkman,Grant,经验公式描述：,Cr-Mo-V,转子钢的,Monkman,Grant,关系,Cr-Mo-V,转子钢最小蠕变速度,和硬度,HV,的关系曲线,
