T91鐵素體耐熱鋼相變過程及強化工藝.pdf

1、T91（9Cr-1Mo-V-Nb-N）鋼是高Cr鐵素體耐熱鋼的代表鋼種，廣泛用于超臨界發(fā)電廠鍋爐管道上；同時也是開發(fā)更高使用溫度的鐵素體耐熱鋼材的研究基準。隨著能源短缺和環(huán)境污染問題的日益突出，提高鍋爐管用鋼的耐熱溫度以及提高電廠熱效率的研究勢在必行。 目前對T91鋼的研究大都是從合金化、工藝性能、化學性能和工程使用上進行的，較少有關于該鋼相變過程、組織控制及強化機理的報導。為深入地研究T91鋼相變過程及機理、組織形成與演化規(guī)律

2、以及探索鐵素體耐熱鋼進一步強化的成型新工藝，本文綜合采用線膨脹測量和現(xiàn)代材料分析方法，進行T91鋼加熱過程中奧氏體化、連續(xù)冷卻轉變以及冷卻過程中等溫停留與施加微小應力變形等情況下的T91鋼相變過程的研究，以期系統(tǒng)地澄清T91鋼的相變過程及規(guī)律，闡明其影響機理。并在此基礎上進行T91鋼強化工藝的熱機械變形模擬，論證通過形變熱處理進行組織細化，第二相的誘導析出來進一步強化T91鋼的可行性。在大量實驗研究與理論分析的基礎上，取得了如下結論：

3、 （1）通過對升溫過程中加熱速度對T91鋼奧氏體形成影響的研究，繪制了連續(xù)加熱奧氏體化過程轉變曲線，實驗結果表明： 加熱速度顯著影響T91鋼的奧氏體形成開始溫度（Ac1）和結束溫度（Ac3），加熱速度愈大，Ac1和Ac3愈高，奧氏體形成速率愈快；奧氏體化速率的峰值與加熱速度符合如下關系：df/dtmax=-2.17×10-8V2+3.06×10-4V-1.84×10-2（其中df/dtmax為奧氏體化速率，V為加熱速度）。

4、與此同時，碳化物溶解與加熱速度密切相關，加熱速度較低時，奧氏體中大量M23C6型碳化物溶解，改變了C濃度分布，從而促進MX型碳化物的形成，形成的MX型碳化物可有效避免奧氏體晶粒粗大；加熱速度大到一定程度時，M23C6型碳化物在奧氏體加熱過程中溶解得很少或是不溶，而是被高的加熱速度推遲到奧氏體區(qū)保溫階段溶解；此外，較快的加熱速度可使奧氏體初始晶粒度細化，但不利于奧氏體的均勻化。 （2）澄清了T91鋼連續(xù)冷卻過程中的相變規(guī)律，確定了

5、該鋼發(fā)生馬氏體轉變的臨界冷卻速度，繪制了連續(xù)冷卻轉變曲線，研究表明： T91鋼的連續(xù)冷卻過程中只存在鐵素體和馬氏體轉變區(qū)，10℃/min和2℃/min分別為奧氏體向馬氏體轉變的上臨界冷卻速度和下臨界冷卻速度。 不同淬火速度對T91鋼馬氏體開始轉變溫度（Ms）有較大的影響，其不同于隨冷速增加而相變點升高的經(jīng)典理論。淬火速度通過碳原子氣團、淬火空位和內(nèi)應力的形成來影響過冷奧氏體狀態(tài)，從而影響相變點；隨淬火速度的增加，過冷奧

6、氏體轉變后的組織呈細化趨勢，但當速度大于1000℃/min時，冷速的變化對組織形貌幾乎沒有影響。 （3）通過對T91鋼過冷奧氏體冷卻過程中，在Ms點附近等溫停留的奧氏體穩(wěn)定化研究發(fā)現(xiàn)： 在Ms點以上較高溫度等溫停留時，該鋼表現(xiàn)出明顯的反穩(wěn)定化現(xiàn)象，即馬氏體轉變開始溫度高于Ms點，并隨保溫時間延長反穩(wěn)定化程度增加； 在Ms點以上較低溫度等溫停留時，T91鋼的馬氏體轉變開始溫度低于Ms點；且隨保溫時間的延長繼續(xù)降低；

7、其最終組織仍為完全馬氏體，屬于偽穩(wěn)定化。在Ms點以下附近溫度（400℃）保溫時，馬氏體繼續(xù)轉變溫度降低，但因轉變溫度較高，而且機械穩(wěn)定化作用太小，所以室溫組織仍沒有殘余奧氏體出現(xiàn)，亦屬偽穩(wěn)定化現(xiàn)象。 當在380℃以下等溫停留時，T91鋼的奧氏體穩(wěn)定化趨勢顯著，馬氏體繼續(xù)轉變溫度顯著降低，發(fā)生不完全馬氏體轉變，組織中存在殘余奧氏體，此時奧氏體穩(wěn)定化過程受機械穩(wěn)定化和熱穩(wěn)定化的雙重因素影響。 （4）針對T91鋼過冷奧氏體冷卻

8、過程中，施加微小壓應力變形的研究發(fā)現(xiàn)： T91鋼在850℃溫度以上施加應力不會促進馬氏體的形成。在此溫度以下施加應力將促進馬氏體的形成，提高馬氏體相變開始溫度。應力作用下的T91鋼存在兩種轉變機制：施加應力溫度較高時，其轉變機制屬應變誘發(fā)馬氏體，組織呈細化趨勢，晶界形態(tài)趨于不規(guī)則；在施加應力溫度較低時，屬應力誘發(fā)馬氏體轉變，其形態(tài)與熱誘發(fā)馬氏體相似。440℃是應力誘發(fā)馬氏體相變的開始溫度，150～200MPa存在著440℃應力

9、誘發(fā)馬氏體相變的臨界應力。 （5）利用T91鋼寬的奧氏體未再結晶區(qū)和含有Nb、V等元素的特點，進行了形變熱處理誘導Nb/V碳氮化物析出，從而使其性能進一步強化的探索性研究，研究發(fā)現(xiàn)： 形變熱處理后T91鋼顯微組織發(fā)生顯著的均勻細化，更重要的是該工藝可以為MX型Nb/V碳氮化物顆粒的析出提供更多的形核位置，從而來生成更多、更細小的彌散分布的MX型碳氮化物。 通過拉伸實驗表明：形變熱處理可以明顯提高T91鋼的強度，使