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1 引言
30Cr1Mo1V钢是我厂30万和60万千瓦汽轮机高、中压转子用钢,是一种珠光体型热强钢,具有良好的综合室温力学性能和热强性能。众所周知,蠕变条件是发电设备构件材料的一种典型服役条件,某些高温构件的设计大部分是根据材料的蠕变性能、持久性能进行的。鉴于30万和60万千瓦汽轮机的工况条件,其构件在运转中需承受高温、高载、长时的考验,因而高温工件在实际运行中的形变和断裂现象越来越引起人们的重视。目前,对高温镍基合金的蠕变行为的研究已有很多报道,而对30Cr1Mo1V钢尚未见此方面的报告。本文试图通过此钢种蠕变试验所得数据对30Cr1Mo1V钢的蠕变性能进行一些补充研究,为考查汽轮机用材的高温性能提供更多、更可靠的依据。
2 试验材料与方法
本试验材料取自二重厂生产的锻件,热处理工艺为940～970°C淬火,690°C回火。其化学成分列于表1。蠕变试验在Mп-4г试验机上进行,执行GB2039表1 试验材料化学成分(w/%)元素含量元素含量元素含量C0.32Cr1.2Cu0.008Si0.31Mo1.18Al0.012Mn0.75V0.28Sb0.033P0.10Ni0.42As0.010S0.005-86标准。用于观察位错结构的试样,采取保载快速冷却法冻结位错结构,然后纵向切片观察。采用电解双喷制备透射样,电解液为25%高氯乙醇溶液。在CM12透射电子显微镜上观察位错的分布及组态。
3 试验与结果
3.1 蠕变试验
3.1.1 蠕变试验数据与拉-米曲线
30Cr1Mo1V钢525°C蠕变数据见表2。根据蠕变外推经验公式ε=Aσ-B由最小二乘法计算得出蠕变极限σ52510-5=199.45MPa 根据表2中数据绘出拉-米曲线,见图1。表2 蠕变试验数据温度t/°C应力σ/MPa第 阶段蠕变速率ε/%h-1拉-米参数(T+460)(20-lgε)×10-35253002.097×10-332.595252859.27×10-433.105252653.93×10-433.635252459.19×10-534.525252257.20×10-534.69图1 拉-米曲线(注:此图为西屋公司原件复制,●为本试验所测数据)
3.1.2 蠕变速度随应力变化规律
在高温蠕变情况下,金属在一般外力作用下的稳态蠕变速率可用指数方程来描述ε=A{σ/E(T)nexp(Qc/RT)}(1)式中 E(T)——杨氏弹性模量n——应力指数Qc——蠕变激活能A——材料常数R——通用气体常数式(1)在一定温度情况下,可简化为ε=Aσn 根据表1中的数据作出稳态蠕变速率与应力的曲线,见图2。由图2可以求出直线的斜率n,即为蠕变形变强化指数,n值为11.7。对于大多数金属和简单合金,其应力指数n一般为4～6,但工程上大多数高温耐热合金的应力指数却大大高于4。形变强化指数是衡量应变强化变动趋势的指标。
3.1.3 蠕变激活能
在应力固定的条件下,σ为常数,Bailay等人指出lgt-1/T呈线性关系,即下式成立 t=AeQc/RT(2)式中 R——气体常数图2 蠕变速率与应力曲线 A——材料常数Qc——蠕变激活能由式(2)可知lgt=Qc/2.3RT+lgA 在应力相同的情况下,我们进行了几种温度的试验,结果列于表3。表3 持久试验数据温度T/K应力σ/MPa蠕变断裂时间t/h798280190524613511811280190195720704839280190863 图3为蠕变断裂时间与温度的关系图,lgt与温度呈直线关系,其中lgA可由图中截取,由直线的斜率即可得出Qc值,Qc约为2.48×105J/mol。一般简图3 蠕变断裂时间与温度关系单合金的蠕变激活能大约与基体自扩散能相近,而本试验测得此种材料的蠕变激活能界于简单合金与镍基合金之间。
3.2 蠕变稳态阶段位错组态与分布
位错的组态、分布是影响材料寿命的一个主要因素。截取稳态蠕变阶段的试样在透镜上观察位错的分布及组态,图4表明位错在碳化物前大量塞积,形成位错群,碳化物严重阻碍了位错的运动,起到了应变强化作用。在应力较大时晶内出现一组位错墙,形成亚晶界。观察时还发现位错有成对出现的现象,据资料介绍位错成对运动的阻力大大减小,据计算仅是单根的一半,使位错的易动性增强。见图4和图5。 图4 位错塞积图5 位错绕过第二相质点4 结果分析与讨论据研究,30Cr1Mo1V钢热强性能较好,主要是通过固溶强化和弥散强化的作用,该材料在525°C蠕变条件下,碳化物对位错的运动具有强烈的阻碍作用。位错的塞积,使应力场发生改变,产生应变强化。试验表明,位错通过第二相粒子的方式是绕过,位错在绕过第二相质点后会留下位错环,绕过的位错越多,质点周围的位错环越多,也就相当于质点间距减小,半径增大位错难以通过,应变强化作用增强,遵从奥罗万机制。由公式τ=lnrb可知弯曲位错所需的切应力越大,形变强化作用越显著。在蠕变稳态阶段位错的运动是以滑移为主,但在温度较高时,由于热激活的作用使空位的移动和位错的滑移及攀移几率增大,晶粒内出现亚晶是由于温度较高使异号位错通过攀移、滑动相遇而互毁,或者一些排列混杂的同号位错通过攀移而形成一组位错墙。此外,温度升高,使位错的钉扎作用减弱,强化基体元素可以转移到碳化物中使碳化物聚集长大。这一系列作用产生了蠕变回复现象。稳态蠕变阶段就是形态强化和回复软化动态平衡作用的结果,稳态蠕变速率是受位错的攀移控制的。
5 结论
(1)30Cr1Mo1V钢525°C时的蠕变极限为199.45MPa。
(2)30Cr1Mo1V钢525°C时的蠕变强化指数n=11.7,蠕变激活能Qc为2.48×105J/mol。
(3)稳态蠕变阶段时,合金中位错运动以滑移为主,稳态蠕变速率受位错的攀移控制。碳化物对位错运动有强烈阻碍作用,起到了强化基体作用。
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