长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化P.ppt

* * 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 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。 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 管道用钢碳化物中的钼质量分数与运行时间的关系 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 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。