高温运行设备材料损伤与剩余寿命-2.docVIP

长期高温运行后材料组织和性能的变化 室温下材料的组织和性能一般均较稳定，不随使用时间增加而改变。但在高温下材料的表现与室温下材料的表现不同，材料会发生损伤。在高温下长期运行后，不论是奥氏体不锈钢还是珠光体钢均会发生两方面性能的劣化：力学性能退化（蠕变、断裂、应力松弛等）和组织变化，金属在高温下还会发生氧化和腐蚀等破坏。 结论：高温下随服役时间的增加，材料性能要改变。 管道材料在高温下长期运行所发生的组织性能变化及损伤形式主要有： (1) 珠光体的球化和碳化物聚集 (2) 石墨化 (3) 时效和新相的形成 (4) 回火脆化 (5) 蠕变和蠕变脆化 (6) 氢损伤（包括氢腐蚀和氢脆） 上述管道材料各种损伤形式，有些在单一的高温环境下就会发生，如球光体球化、石墨化以及时效和形成新相等，有些在高温和介质联合作用下才会产生，如氢损伤等。由于材料损伤单靠外观检查和无损探伤检查不能有效地发现，因而由材料损伤而引发的事故或管道破坏往往具有突发性。 有鉴于此，对在用压力管道在长期运行下是否发生材料损伤、损伤后的失效形式如何以及预测技术和防范措施的研究，是目前国内外关注的热点。现行的有效检查方法通常采用理化检查，即进行破坏性试验，如力学性能、化学成分、金相检查、冲击试验以及断裂韧性测试等。现场金相技术是常用的无损检验方法，可以大致判别管材是否已受到损伤。 4.1 珠光体的球化 锅炉及压力容器上常用的各种碳素钢及低合金钢大都是珠光体钢。这种钢的正常组织是由珠光体晶粒与铁素体晶粒组成。珠光体晶粒中的铁素体及渗碳体是呈薄片状相互间夹的。 片状物的表面积与体积的比值比球状物的表面积与体积的比值大得多，即在同样体积的情况下，片状物比球状物具有更大的表面积。因此，片状物的表面能也就远比球状物的表面能大。根据热力学第二定律，具有较大能量的状态有自行向能量较小的状态转变的趋势。所以，可以认为片状珠光体是一种不稳定的组织，其中的渗碳体有自行转变成球状并聚集成大球团的趋势。这种球化过程是以扩散为基础的，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，这种现象即称为珠光体的球化。 图2-4-2为20钢、16Mo、12CrMo、15CrMo钢球化前后的组织对比，图2-4-3 为12Cr1MoV钢球化前后组织变化情况。 (a) 原始组织 (b) 珠光体分散 (c) 成球 (d) 球化组织 图2-4-1 珠光球化过程的示意图 （1－铁素体； 2－片状珠光体； 3－球状碳化物） 珠光体的球化过程就是碳化物的扩散过程，因此与球化过程进行的同时，碳化物在钢中的分布也将发生变化。因为晶粒间界上的扩散速度较大，所以球化现象总是首先在晶界处发生。 (a) 原始组织，铁素体加块状珠光体 (b) 珠光体开始球化 (c) 严重球化 图2-4-2 20钢、16Mo、12CrMo和15CrMo钢球化前后的组织对比 (a) 铁素体加沿晶界分布的条带状珠光体 (b) 珠光体开始球化 (c) 严重球化 图2-4-3 12Cr1MoV钢球化前后的组织对比 4.1.1 球化对金属材料性能的影响 珠光体球化对材料性能的影响主要表现在对室温机械性能和高温机械性能的变化上，下面分别予以说明。 (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（(b和(s）降低，如表2-4-1所示。由表可知，在中等程度球化的情况下，将使低碳钢和低碳钼钢的强度指标降低10％~15％；而在严重球化时，使其强度值降低约20％～30％。 表2-4-1 珠光体球化对材料室温强度的影响 钢材 牌号 中等程度球化 严重球化 试验温度(℃) 20 500 20 500 20 20 500 20 500 20 (b降低的 百分数 (s降低的 百分数 HB降低的百分数 (b降低的 百分数 (s降低的 百分数 HB降低的百分数 15 15Mo 5.2 8.3 0.75 8.5 6.5 15.5 12 11.4 8.5 13.5 17.2 24.6 13.0 18.9 16.4 24.6 27.5 30.8 17.5 21.4 从表2-4-1还可看出，珠光体球化对低碳钢室温强度的影响大于对低碳钢的影响，这主要是因为珠光体的球化削弱了钼对材料的固溶强化作用。 一般认为，在球化过程中，如果碳化物沿晶界呈链状分布，则会使低碳钢和低碳钼钢的室温冲击韧性显著降低。但对铬钼钒钢来说，却没有这种情况。例如12CrlMoV钢，即使在严重球化的情况下，