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第7章 長期在高溫條件下金屬材料組織結(jié)構(gòu)變化

在室溫條件下，鋼材的組織比較穩(wěn)定，不隨時(shí)間而改變。在高溫下，由于金屬原子熱運(yùn)動(dòng)，在長期工作中，金相組織會(huì)將不斷發(fā)生變化，并可能導(dǎo)致性能改變。

鋼材長期在高溫條件下的組織變化主要有：珠光體球化，石墨化，合金元素重新分配。

7.1         珠光體球化

鍋爐及壓力容器上常用的碳素鋼及低合金鋼都是過共 析珠光體鋼。

P中F和Fe₃C均呈薄片狀分布。

片狀物的表面積與體積之比球狀物的表面積與體積之比大，即在同樣體積情況下，片狀物比球狀物有更大的體積。因此，片狀物比球狀物具有更大的表面能。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，具有較大能量的狀態(tài)有自行向能量較小的狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。所以片狀珠光體是一種不穩(wěn)定的組織，其中滲碳體有自行轉(zhuǎn)變成球狀并聚集成大球團(tuán)的趨勢(shì)。這種球化過程是以擴(kuò)散為基礎(chǔ)的，當(dāng)溫度較高時(shí)，原子的活動(dòng)能力增強(qiáng)，擴(kuò)散速度加快，片狀滲碳體逐漸轉(zhuǎn)變成球狀，再聚集成大球團(tuán)。

球化-聚集見右圖

7.1.1          球化對(duì)金屬性能的影響

7.1.1.1    對(duì)室溫機(jī)械性能影響

降低室溫強(qiáng)度σ_s及σ_b

對(duì)低碳鋼和低碳鉬鋼：

    中等程度球化，強(qiáng)度指標(biāo)下降10-15%

    嚴(yán)重球化，強(qiáng)度指標(biāo)下降20-30%

7.1.1.2    對(duì)高溫機(jī)械性能影響

蠕變極限和持久強(qiáng)度下降

                     表 嚴(yán)重球化對(duì)0.5Mo鋼高溫強(qiáng)度的影響

7.1.2          影響珠光體球化的因素

影響球化過程發(fā)展的主要因素是溫度，時(shí)間和化學(xué)成分

珠光體球化和碳化物聚集是基于擴(kuò)散的一種過程，溫度對(duì)球化過程必然有很大影響。

公式  

T-絕對(duì)溫度，A-物性參數(shù)，b-常數(shù)，e-自然對(duì)數(shù)底

溫度升高，完全球化所需的時(shí)間便明顯減少。

碳擴(kuò)散速度與合金元素對(duì)碳在固溶體中擴(kuò)散的影響有關(guān)。因而，凡是能形成穩(wěn)定碳化物的合金元素，或進(jìn)入固溶體中可降低其原子擴(kuò)散系數(shù)的合金元素，均能阻止或減緩球化及其積聚過程。單純碳鋼最易球化，鈦 、鈮、鉬、鉻、釩可提高球光體穩(wěn)定性。

此外，在鋼的化學(xué)成分的溫度相同的條件下，球化速度還與鋼的晶粒度，冷加工變形度和滲碳體片大小有關(guān)。

細(xì)晶粒鋼，球化時(shí)間短，總表面積大

冷加工變形度大時(shí)間短，塑性變形中的晶格畸變，導(dǎo)致內(nèi)能增加，擴(kuò)散速度加快，球化過程首先在此發(fā)生。

過小的滲碳體片縮短了擴(kuò)散距離，加速球化。

7.1.3          珠光體球化的級(jí)別

分6級(jí)

7.1.4          材料發(fā)生球化后的恢復(fù)處理

可采用熱處理恢復(fù)

例：16Mo鋼的φ245×26蒸汽管道在9.8Mpa，510℃條件下運(yùn)行約8*10⁴h后，珠光體球化，碳化物聚集在晶界上，67%Mo進(jìn)入碳化相中，機(jī)械性能惡化。

加熱至920℃，停留1h，在爐中打開爐門冷卻80-90℃/h。

7.2         石墨化

鋼中滲碳體在高溫長期作用下自行分解的一種現(xiàn)象。

Fe₃C——>3Fe+C

石墨開始以細(xì)微點(diǎn)狀出現(xiàn)，逐漸聚集成越來越粗的顆粒，石墨強(qiáng)度低，相當(dāng)于在金屬內(nèi)部產(chǎn)生空穴。

7.2.1    對(duì)材料影響：

脆性急劇增大。

7.2.2    影響石墨化因素

溫度 ：

    高溫下，是一個(gè)擴(kuò)散過程

合金元素 ：

    與碳結(jié)合能力強(qiáng)的元素均可阻止石墨化發(fā)生鉻，鈦，釩 ；促進(jìn)石墨化，硅，鋁，鎳

晶粒大小：

    細(xì)晶粒鋼及有加工硬化鋼易發(fā)生。

7.2.3    石墨化分級(jí)

7.3         合金元素在固溶體和碳化物之間的重新分配

在高溫下使合金元素原子活動(dòng)能力增加，對(duì)一些起固溶強(qiáng)化作用的合金元素，鉻，錳，鉬（固溶體）脫落，轉(zhuǎn)移至碳化物中。

固溶體引起晶格畸變從而起到強(qiáng)化作用，畸變晶格不穩(wěn)定，在高溫下就有向較穩(wěn)定的碳化物中轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

（固溶體和碳化物中）合金元素成分的變化及對(duì)高溫機(jī)械性能影響：

常用珠光體熱強(qiáng)鋼 ：（1）鉻鉬低合金鋼（2）鉻鉬釩低合金鋼