服役环境下TP347H耐热钢的晶界氧化特征及机理研究

发布时间：2020-10-24 15:51

　　 TP347H作为经典的18-8型奥氏体耐热不锈钢,因其良好的抗晶间腐蚀能力、较高的蠕变强度和稳定的抗氧化能力,经常被用作火力机组中的过热器、再热器等高温高压部件。在对一批服役态TP347H管材进行失效分析后,发现该管发生晶界氧化,并促进其沿晶开裂,降低了合金的力学性能。其一,晶界氧化有异于寻常研究的高温氧化;其二,晶界氧化破坏晶界完整性且削弱晶界性能。因而,对服役环境下TP347H的晶界氧化行为、机理以及晶界氧化对金属裂纹萌生及扩展的影响进行研究。本文以服役态TP347H作为研究对象,进行晶界氧化试验,采用光学显微镜、扫描电镜、电子探针等设备进行显微组织表征、成分分析和半定量分析,探讨了服役环境下、无应力、压应力和拉应力下的晶界氧化的形貌特征;并结合氧化热力学基础,对晶界氧化行为机理进行分析;同时对其室温冲击断口微观形貌进行分析,探讨晶界氧化与裂纹的萌生与扩展之间的关系。研究结果表明:该批服役环境下TP347H管材中,在裂纹扩展的尖端区域出现Cr的氧化物;在裂纹扩展的中间区域出现两层富Cr的Fe、Cr氧化物层夹杂一层富Fe的非氧化物层现象,即类“三明治”结构;在裂纹萌生的初始端未发现“三明治”现象,即两层富Cr的Fe、Cr氧化物层夹杂一层Fe_2O_3氧化物层。试样沿晶界氧化区域打开进行EDS分析发现:“三明治”结构中富Fe的非氧化物层为不规则的菱形晶体,是铁素体相,平均直径大约在3?m,铁铬氧化物层致密无孔洞,紧密附着在基体上;裂纹初始端的氧化铁为球状,直径1.5?m左右。650℃下再氧化试验,未发现“三明治”结构中富铁非氧化层的产生与生长过程;观察到伴随氧化时间的延长,氧化层厚度随之增厚。在无应力、700℃下高温氧化试验,发现试样表面生成内层富铬氧化物及外层富铁氧化物的双层氧化物结构;内层氧化区域局部沿着晶界延伸进基体约3?m。压应力下模拟晶界氧化试验,在模拟晶界附近产生两层富铬层氧化物夹杂富铁氧化物的三层氧化物结构。利用蠕变实验进行拉应力下晶界氧化实验,裂纹尖端区域铬优先氧化;在裂纹中端区域产生两层富铬氧化物夹杂富铁氧化物的三层氧化物结构。TP347H的晶界氧化机制初步探讨:晶界氧化的初期,铬元素优先氧化成Cr_2O_3;晶界氧化的第二阶段,在晶粒表面铁、镍和铬反应生成铁铬镍的氧化物,同时铁元素会在浓度差的推动下由基体向晶界扩散并氧化为Fe_2O_3,最终形成两层铁铬氧化层夹富铁氧化层的特殊形貌。在特殊情况下,若扩散进晶界的氧较少,晶界氧化的第二阶段则可以分为2步:第1步,因氧分压过小无法形成氧化铁,则在晶界附近形成铁素体相;第2步,随着裂纹扩展,晶界的氧分压逐步增大,此时铁素体被氧化成氧化铁。在室温下,服役态TP347H基体呈韧性断裂特征;而发生晶界氧化的TP347H区域发生明显的沿晶断裂,并在裂纹尖端看到韧性断裂到沿晶脆性断裂的转变。晶界氧化会导致合金发生沿晶开裂,降低了合金的力学性能。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG142.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 超超临界机组用钢
        1.1.1 奥氏体耐热不锈钢
        1.1.2 TP347H
    1.2 高温氧化理论
    1.3 TP347H表面氧化的研究现状
    1.4 晶界氧化的研究现状
    1.5 晶界氧化与金属断裂
    1.6 研究内容及意义
2.实验材料与方法
    2.1 实验材料
    2.2 实验和分析方法
        2.2.1 微观组织表征
        2.2.2 高温氧化实验
        2.2.3 冲击实验
3.实验结果与讨论
    3.1 晶界氧化形貌特征分析
        3.1.1 三明治结构的提出
        3.1.2 晶界氧化的形貌及成分分析
        3.1.3 晶界氧化的元素分布
    3.2 晶界氧化模拟试验
        3.2.1 再氧化试验
        3.2.2 压应力下晶界氧化试验
        3.2.3 拉应力下晶界氧化试验
    3.3 晶界氧化模型的建立
    3.4 晶界氧化与表面氧化的对比分析
    3.5 晶界氧化对金属断裂的影响
结论
参考文献
致谢

【参考文献】

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本文编号：2854665