护环用改进型超高氮奥氏体钢的铸态组织及热变形行为

发布时间：2020-03-01 06:29

【摘要】：大型发电机转子护环广泛采用高氮铬锰奥氏体不锈钢制造,目前主要有P900(18Mn18Cr0.5N)和P2000(16Cr13Mn3Mo0.9N)两个品级。由于这类钢的合金元素种类多、含量高,热锻成形过程中易出现表面开裂、晶粒粗大或者混晶等问题,从而大大影响了护环的成品率和生产效率。微合金元素Nb和V在高强度低合金钢及非调质钢等领域的应用已十分普遍,通过高温加热或变形过程中微细第二相的析出来抑制晶粒的过分长大。然而,元素Nb和V在护环用高氮奥氏体钢(如P900)和超高氮奥氏体钢(如P2000)等高合金钢领域的应用报道很少,这些元素的添加对护环用钢铸态组织及热变形过程中的组织演变规律的影响是否还有与在低合金钢中类似的作用,尤其它们对超高氮奥氏体钢的热加工性、耐蚀性及力学性能会有哪些影响,迄今尚不十分清楚。本文采用热力学方法计算了一种含铌钒超高氮奥氏体钢的伪二元平衡相图、不同温度下各相的摩尔分数及合金元素组成,用示差扫描量热分析(DSC)、光学金相(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDX)及电解萃取等方法研究了该钢的铸态组织特性及热变形过程中的组织演变规律,取得如下主要研究结果:获得了含铌钒超高氮奥氏体钢的伪二元平衡相图,其液相线和固相线理论值分别为1440℃和1310℃,MX型微合金碳氮化物从液相、δ铁素体和γ中析出温度的理论值分别为1440℃、1310℃和1250℃,Cr2N、σ相和M_(23)C_6析出温度的理论值分别为1080℃、931℃和907℃,室温下平衡组织为(γ+MX+ε+M_(23)C_6+σ)。实测的δ铁素体析出温度为1265℃,奥氏体开始溶解的温度为1345℃,液相线以及MX型碳氮化物析出温度的实测值与理论计算值基本一致。获得了平衡条件下含铌钒超高氮奥氏体钢中各平衡相的摩尔分数与温度的关系,得到了每个平衡相中各元素组成及其随温度的变化规律。铸态含铌钒超高氮奥氏体钢的显微组织主要由奥氏体和(Nb,V)N组成。不规则块状和团絮状的(Nb,V)N多分布于奥氏体晶界及三叉晶界,球状和不规则块状的(Nb,V)N多分布于晶内。含铌钒超高氮奥氏体钢在1000~1200℃及0.001~10s_(-1)条件下的热变形方程为:ε=3.34×10~(22)[sinh(0.00573σ_ρ)]~(4.79)exp(-631000/RT),且Z参数与峰值应力的定量关系式为:σ_p=17.5lnZ-612.8(MPa)。含铌钒超高氮奥氏体钢在热变形过程中的动态再结晶主要包括项链动态再结晶与经典动态再结晶,应变速率较高时会发生项链动态再结晶。变形温度越高、应变速率越低,经典的动态再结晶越容易发生,且再结晶晶粒的尺寸也随之增大。试验钢的动态再结晶晶粒尺寸与Z参数及A之间的定量关系为:D=2.164×(Z/A)~(-0.081)(μm)。含铌钒超高氮奥氏体钢热变形过程中的主要失稳形式为局部流变,失稳机制为流变集中。含铌钒超高氮奥氏体钢热变形后在晶界及晶内出现大量细小的(Nb,V)N,晶内析出相多呈圆形,尺寸在0.22μm左右;晶界析出相多呈方形或不规则形状,约为0.52μm。获得了含铌钒超高氮奥氏体钢的动态组织状态图和在不同应变量条件下的热加工图,其功率耗散率随着应变速率的降低与温度的提高而增大。当变形温度为1200℃、应变速率为0.001s-1、真应变为0.8时,功率耗散百分数达到最大值(60%)。在加热温度为1200℃时,对于含铌钒超高氮奥氏体钢,建议的热变形工艺窗口为1050~1150℃及0.01~1 s~(-1)。
【图文】：

加压电渣重熔是目前世界上生产商用高氮钢的最有效方法，其结构示意图如图1-1 所示。图1-1 加压电渣重熔炉的模型[42]Fig.1-1 Model of Pressure electro-slag remelting furnaces世界上第一台 16t 高压电渣炉于 1980 年在德国建造。随后，德国又于 1996 年建成了 16t 和 20t 两台高压电渣炉，藉此开发出了两种大型发电机转子护环用钢：X5CrMnN18-8（P900）钢及 X5CrMnN16-4-3（P2000）钢，其中无镍奥氏体不锈钢

燕山大学工学博士学位论文，，钢的流变曲线有三种类型（见图 1-2）。图中，εD为p和εP分别为峰值应力和峰值应变，σS和εS分别为稳 a 属于动态回复，而流变曲线 b 和 c 则属于动态再结晶难看出，热变形过程中的流变曲线一般有三个阶段，加工硬化的同时也出现一定程度的动态回复，且变形，加工硬化作用占居了主导地位，流变应力迅速增大。加，回复与再结晶开始发生，流变曲线的斜率逐渐变回复（见图 1-2 中 a 线）和发生动态再结晶（见图 1-2量的增大，流变应力缓慢增加（一般出现在层错能较III 阶段材料变形进入稳定流动阶段，流变曲线变成直后者则表现为流变曲线出现峰值后流变应力有所降低，而且随着变形量的增大，流变应力变化不大（一般料中）。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142.1

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本文编号：2583960