工程材料论文汽轮机常用材料0Cr17Ni4Cu4Nb的性能及处理工艺探究Word文档格式.docx
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P
≤0.07
≤1.0
15.5~17.5
3.0~5.0
0.15~0.45
≤0.030
≤0.035
表一:
0Cr17Ni4Cu4Nb钢的化学成分
热处理制度
σb
MPa
σs
δ5
%
ψ
硬度
HRC
1040º
C水冷或空冷(A状态)
HB≤363
C水冷或空冷,480º
C回火4h空冷(H900)
≥1314
≥1177
≥10
≥40
C水冷或空冷,495º
C回火4h空冷(H925)
≥1070
≥44
≥38
C水冷或空冷,550º
C回火4h空冷(H1025)
≥1000
≥12
≥45
≥35
C水冷或空冷,580º
C回火4h空冷(H1075)
≥863
≥13
≥31
C水冷或空冷,620º
C回火4h空冷(H1150)
≥932
≥725
≥16
≥50
≥28
C水冷(A状态)
1030
755
12
45
HB363
C水冷,480º
1373
1275
14
50
44
C水冷,495º
1304
1207
54
42
C水冷,550º
1167
1138
15
56
38
C水冷,580º
16
58
36
表二:
0Cr17Ni4Cu4Nb钢的常温力学性能(摘自GB1220)
介质条件
5%H2SO4
沸腾
8h
10%H2SO4
48h
40%HNO3
10%HCl
80%CH3COOH
退火态
178
4.58
4.69
0.25
0.28
0.51
0.50
0.83
0.79
时效态
431
427
6.30
6.27
0.31
0.27
0.49
0.10
0.15
表三:
0Cr17Ni4Cu4Nb钢的耐蚀性能[腐蚀速率g/(m²
h)]
1.2常温力学实验结果
本试验共进行了五组常温力学实验,其结果为平均屈服强度
,符合标准要求。
其实验试样尺寸和其中一件试样的载荷——变形曲线如图一和图二,其中
:
图一:
拉伸试件尺寸(样品数5)
图二:
试样的载荷——变形曲线
2.0Cr17Ni4Cu4Nb钢的主要合金元素含量及作用
2.1合金化原则
0Cr17Ni4Cu4Nb钢的强化机制主要是固溶强化和第二相的沉淀强化。
根据市场需求,应努力获得较低的残余奥氏体(<
2%)和铁素体(<
l0%)以及较高的强度和良好的耐蚀性、可焊接性及工件组织稳定性。
从原理上分析,其合金化的调控原则应为以下两点:
(1)控制较低的碳含量。
这是因为在几乎所有合金元素(Co、Al除外)中碳对马氏体转变起始点Ms和马氏体转变终止点Mf的降低最为显著,这样会导致马氏体转变不彻底,残余奥氏体含量增大。
根据GB1220的要求,其碳含量应控制在0.07%以下。
(2)控制铁素体的形成趋势。
根据铬合金元素对铁素体形成的促进与抑制作用,可以采用将铁素体形成元素铬、硅、铌等调控至适宜范围的中下限,同时将奥氏体形成元素镍、锰、铜等调至适宜范围的中上限的办法。
通过查找现有加工资料可知以上分析正确。
在实际应用中,使其铁素体形成倾向系数≤5。
2.2主要合金元素的作用及含量
2.2.1铬的作用及含量
铁素体形成元素铬是0Crl7Ni4Cu4Nb钢的主要合金元素,适当提高钢中铬含量,有助于提高钢的抗氧化性能,提高钢在大气中、高温H2S中以及在氧化性介质中的耐蚀性,并且可以提高退火条件下钢的强度和硬度。
但是,钢中铬含量过高,将降低钢的导热系数,并将显著增加淬火、回火条件下钢的稳定铁素体含量.降低钢的硬度和抗拉强度,而且将显著降低马氏体转变温度,所以实际生产中铬含量控制在15.5%——17.5%之间。
2.2.2镍的作用及含量
奥氏体形成元素镍也是0Crl7Ni4Cu4Nb钢的主要合金元素,适当提高钢中镍含量,可有效提高马氏体不锈钢的淬透性,促进钢的马氏体转变,提高钢的强度和韧性,提高马氏体不锈钢的钝化倾向,改善马氏体不锈钢在还原介质中的耐蚀性和耐气蚀性能以及在流动的含泥沙的水中的耐磨蚀性能,并扩大
相区和
+
相区,降低钢中
铁素体含量,提高马氏体不锈钢的回火稳定性,降低回火软化程度。
但是,镍含量过高,将明显降低钢的马氏体转变温度,增加钢中残余奥氏体量。
在生产中镍含量控制在3%——5%之间。
2.2.3铜的作用及含量
铜是0Crl7Ni4Cu4Nb钢的主要合金元素和强化元素,适当提高钢中铜含量,可扩大
铁素体含量,并显著提高钢的二次硬化效果。
但是,钢中铜含量过高,将显著降低钢的热加工性能,增加钢中残余奥氏体量。
在生产中铜的含量控制在3%——5%之间。
2.3Cr当量、Ni当量以及Ms点的经验估计公式
为了使马氏体沉淀硬化不锈钢0Crl7Ni4Cu4Nb具有良好的加工性能和使用性能,必须控制其基体为马氏体组织。
由于钢中铁素体的存在会严重影响钢的热塑性,降低钢的强度并恶化钢的横向韧性和钢的耐蚀性,因此,钢中残余铁素体含量须尽量低。
而马氏体沉淀硬化不锈钢中存在少量残余奥氏体(包括逆转变奥氏体),对提高钢的韧性有益。
但是,在时效状态下,钢中残余奥氏体量特别是逆转变奥氏体较多时,由于逆转变奥氏体中的e—Cu颗粒较马氏体中的粗大,分布也更加稀疏,对位错没有或很少有阻碍作用,从而会降低钢的屈服强度。
因此,钢中允许存在少量残余奥氏体,但应尽量低一些。
这就要求严格控制化学成份,保证钢中适宜的Cr当量和Ni当量,合理控制马氏体转变温度Ms,从而保证钢的基体为马氏体组织,钢中存在少量残余奥氏体和尽量低的铁素体。
马氏体沉淀硬化不锈钢的Cr当量、Ni当量可分别按公式
(1)、
(2)进行计算,马氏体转变温度Ms可按公式(3)进行计算。
Cr当量=(%Cr)+1.5(%Si)+(%Mo)+1.5(%)
(1)[2]
Ni当量=30(%C+%N)+(%Ni)+0.5(%Mn+%Cu)+0.7(%Co)
(2)[2]
Ms(℃)=832-29(%Cr)-39(%Ni)-5(%Co)-36(%Mo)(3)[2]
3.固溶处理与时效处理对0Crl7Ni4Cu4Nb的性能影响
3.1固溶处理、时效处理
0Crl7Ni4Cu4Nb钢的化学成份确定以后,产品的热处理将是最终获得良好的组织和性能极其重要的工艺手段,作为沉淀硬化型不锈钢,由于其强化机制所决定,首先通过固溶处理使其合金元素最大限度地溶解于奥氏体中并使其充分均匀化。
这类钢合金含量高,淬透性极好,空冷即可获得马氏体组织,但由于其碳含量低,这种低碳马氏体的硬度和强度并不高,且组织中还存在一定量的残余奥氏体,因此,钢的高强度必须通过适宜的时效处理来获得,在时效处理过程中,残余奥氏体发生分解,部份碳化物析出,特别是Fe2Nb、Ni3Nb及含Cu相等,这类极细小并弥散析出的沉淀相分布于低碳马氏体的基体上,使钢得到最佳的强化效果。
实践表明,在480℃时效处理后强度最高。
3.2热处理的特点
0Crl7Ni4Cu4Nb虽然含碳量低,但合金含量高,因此淬透性好,且Ms点大约在121oC,Mf点大约为32℃。
通过固溶处理空冷即可获得马氏体组织。
此外,固溶温度不可太高,以防止晶粒粗化,因为过高的温度将使固溶体中合金的过饱和度增加而使Ms下降,增加残余奥氏体量,更重要的是这类钢在加热和冷却时,除了发生沉淀相的溶解和析出外,其它相变是无扩散型的
—M的相变和M—
的逆转变,这种无扩散型的相变是不能使晶粒细化的。
该钢除了通过马氏体相变强化外,还利用加入适量的Nb、Cu等硬化元素形成中间相,依靠时效处理产生共格沉淀相而获得最大强化效果。
因此,时效温度的选择至关重要,温度过低沉淀相析出缓慢;
温度过高又有过时效和使马氏体基体逆转为稳定奥氏体而降低强度的可能。
第二部分:
4.0Crl7Ni4Cu4Nb钢疲劳特性及其S-N曲线研究
4.1S-N曲线的意义
S-N曲线是材料的疲劳特性的最重要的衡量标准之一,他能直观的体现出材料所受应力与材料寿命之间的关系。
材料的S-N曲线一般需通过疲劳试验得到,但是通过做试验得到S-N曲线将耗费大量的物力和财力。
做一次疲劳试验,要让试件在循环载荷作用下一直到疲劳断裂为止,这一般需要经历百万千万次甚至更多的应力循环才行,这将耗费大量时间。
而且,做一个试件,只能得到一个数据点,疲劳试验结果的离散性非常强,一般需要做多个试件才能确定一点的寿命。
总的来说,在工程上只有为了研究重要的问题才会去做疲劳试验,比如,对于一种新材料或者某种材料首次应用于某领域或部件时。
在工程上,当没法得到材料的S-N曲线时,可以采取各种估算方法来近似获取材料的S-N曲线。
经过试验研究表明,材料的S-N曲线是与材料的屈服极限/拉伸极限有某种关联的,总体上来讲就是屈服极限越大,S-N曲线越强。
通过一些经验公式,可以近似得到偏于保守的金属材料的SN曲线。
在德国等机械基础较好的国家,有很多用于估算金属材料疲劳曲线的经验公式,这些公式不仅仅考虑材料的曲线极限,还考虑到材料的尺寸因素,制造加工方法,表面粗糙度等各种因素对于材料SN曲线的影响,有非常强的实用性,
4.2试验的准备与方法分析
4.2.1试验的总体规划
委托方(上海电气电站设备有限公司)共提供215根试样(包括200根主体试样与15根不同热处理下的对比试样)。
要求以107为无限寿命,做出平均应力分别为0、50Mpa、150Mpa、250Mpa、400Mpa的五条S-N曲线,每条S-N曲线的有八个有效点,最少不能少于七个。
在进行第一组实验(
)时发现数据的分散性较大,远远超出经验值20%。
为了不影响实验进度,并且精确的找出各组平均应力下的无限寿命点,同时把握试验的总体趋势。
我们最后决定采用以下方案:
第一阶段试验中,无限寿命点附近为每点五根试样,其他每点三根试样,即把无限寿命点以下的试样损失考虑在内(没断的试样一般不重复利用),每组耗费
根试样。
第二阶段进行补点实验,对第一阶段中严重偏离正常趋势线的实验点进行修正,并且根据需要细化无限寿命点的区间。
实验至今进行了70多个工作日,共有116根试样完成了疲劳试验,现已拟合出三组S-N曲线(第四条正在进行中),基本符合预期。
4.2.2试验方法
本实验是基于有限元的疲劳分析,其基本流程如图三所示。
图三:
基于有限元分析结果的疲劳寿命分析流程图
(1)根据设计要求进行疲劳实验并获得材料疲劳特性曲线;
(2)建立合理的有限元模型并计算得到应力应变等;
(3)根据实际情况建立合理的载荷谱;
(4)按照要求,结合有限元分析结果选择合适的疲劳分析模型及方法;
(5)根据实验测得的材料疲劳特性曲线以及Miner线性累计损伤准则,用nSoft软件计算得到模型的疲劳损伤与疲劳寿命;
(6)对疲劳计算结果进行分析与评价,并与实验测得的疲劳寿命比较。
目前常用的疲劳分析模型主要有两种,应力疲劳SN方法与应变疲劳EN方法,在nSoft软件里相对应的有Fatimas模块与FE-Fatigue模块,其中Fatimas模块用于计算有限元计算结果中最危险单元或最关键界面的疲劳损伤与寿命,而FE-Fatigue模块用于计算有限元模型的全场寿命与损伤,需要导入ABAQUS计算的全场结果。
两个不同模块计算方法的区别如图四所示。
本次试验的计算主要应用了FE-Fatigue模块,Fatimas模块仅提供参考,因为它和有限元结合不够紧密。
Fatimas虽然也有EN方法,但是要求输入的载荷为关键面上最大应变,在有限元软件计算结果中不易读出,因此本实验不考虑Fatimas-EN方法。
图四:
Fatimas与FE-Fatigue计算方法区别
笔者所在小组主要负责做出实验S-N曲线,计算工作由另一小组负责。
S-N曲线试验圆形横截面试样见图五,试验采用的是高频拉压疲劳试验机,型号为PLG—200C。
下面主要谈谈本组在做出S-N曲线部分的方案。
影响材料疲劳特性的因素有很多,比如平均载荷、载荷幅值、应力比、最大载荷等,本实验主要考虑平均应力的影响。
通过文献调研和与项目负责人的沟通,我们最终决定分别作出载荷幅值、最大载荷对应的S-N曲线、Smax-N曲线以及LgS-LgN曲线、LgSmax-LgN曲线,其中S的单位为kg/mm2,N的单位为次。
这样可以更加全面的反映特定平均载荷下材料的疲劳特性。
在S与N的值的取定方面,我们采用存活率为50%的取点方法(即做出的曲线使一半的数据点在其之上)。
此外,对于偏差极大的数据点我们进行了必要的剔除。
图五:
S-N曲线试验圆形横截面试样
4.3试验进展与结果预估
4.3.1
时S-N曲线的拟合
实验进行至今已作出三组S-N曲线。
下面以
为例,阐述S-N曲线的取点方法。
实验的原始数据见附件——疲劳试验记录单(
)。
图四、图五、图六、图七分别为平均应力为50Mpa时,材料的S-N曲线、LgS-LgN曲线、Smax-N曲线、LgSmax-LgN曲线。
有数据记录表格可知,无限寿命点在载荷幅值为0.45
处。
S-N曲线
LgS-LgN曲线
图六:
Smax--N曲线
图七:
lgSmax--lgN曲线
4.3.2试验进展
目前三组试验的结果为,
、
三组的无限寿命点分别为
,趋势基本符合预期。
4.3.3后期工作规划
在剩下两组试验做完之前,我们小组对后期的工作有以下几点规划。
1、考虑到工程中S-N曲线的实际应用,准备将实验数据的存活率尽可能调至100%,这样可对材料疲劳寿命有更保险的估计。
2、采用MATLAB软件重新绘制并分析S-N曲线.目前,我们采取的软件是Excel和Origin。
3.与负责计算的小组紧密配合,并参与到其中学习nSoft等软件的使用。
4.对于0Cr17Ni4Cu4Nb,同其他热处理的试样进行疲劳特性比较。
后记:
这学期的SRT练习和我的学习联系的很紧密,因为我同时学习了《工程材料》和《材料力学》课程,可以将课上所学应用在试验中。
这篇小论文,等于是我对这学期SRT的一次中期小节。
此外,通过大量查找文献和资料,我对《工程材料》课本上的知识也有了进一步的认识,比如不锈钢的热处理以及各合金元素的作用等等,使我受益匪浅。
参考资料:
【1】朱张校、姚可夫.《工程材料(第五版)》.清华大学出版社,2011
【2】陆世英、张廷凯.《不锈钢》.原子能出版社,1995
【3】秦明富.马氏体沉淀硬化不锈钢0Crl7Ni4Cu4Nb冶炼工艺研究》.
特钢技术,2005
【4】李颇.沉淀硬化型不锈钢0Crl7Ni4Cu4Nb试验研究.
黑龙江冶金,2006
【5】杨世伟.固溶处理对OCr17Ni4Cu4Nb钢耐腐蚀性能及组织的影响.
材料开发与应用,2010
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