ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ ВЫСОКОХРОМИСТОЙ СТАЛИ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
1.1 Область применения жаропрочных мартенситных сталей с 9-12% Cr .... 6
1.2 Химический состав и влияние легирующих элементов и примесей 7
1.3 Термическая обработка сталей мартенситного класса, содержащих 9 -
12% Сг 13
1.4 Структура и свойства высокохромистых сталей 17
1.5 Фазовый состав высокохромистых сталей 19
1.6 Перспективы развития жаропрочных сталей 23
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 27
2.1 Материал исследования и термическая обработка 27
2.2. Математическое моделирование с использованием программы Thermo -
Calc 29
2.3 Методы подготовки образцов 29
2.4 Методы определения структуры 30
2.5 Методы определения механических свойств 31
2.5.1. Твердость по Бринеллю 31
2.5.2. Испытание на ударную вязкость 31
2.5.3. Испытания на растяжение 32
ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И ОБСУЖДЕНИЕ 34
3.1 Результаты моделирования с помощью программы ThermoCalc 34
3.2 Результаты, полученные на оптической микроскопии 36
3.3 Определение температуры гомогенизации 37
3.4 Температура закалки 40
3.4 Определение температуры отпуска 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
1.1 Область применения жаропрочных мартенситных сталей с 9-12% Cr .... 6
1.2 Химический состав и влияние легирующих элементов и примесей 7
1.3 Термическая обработка сталей мартенситного класса, содержащих 9 -
12% Сг 13
1.4 Структура и свойства высокохромистых сталей 17
1.5 Фазовый состав высокохромистых сталей 19
1.6 Перспективы развития жаропрочных сталей 23
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 27
2.1 Материал исследования и термическая обработка 27
2.2. Математическое моделирование с использованием программы Thermo -
Calc 29
2.3 Методы подготовки образцов 29
2.4 Методы определения структуры 30
2.5 Методы определения механических свойств 31
2.5.1. Твердость по Бринеллю 31
2.5.2. Испытание на ударную вязкость 31
2.5.3. Испытания на растяжение 32
ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И ОБСУЖДЕНИЕ 34
3.1 Результаты моделирования с помощью программы ThermoCalc 34
3.2 Результаты, полученные на оптической микроскопии 36
3.3 Определение температуры гомогенизации 37
3.4 Температура закалки 40
3.4 Определение температуры отпуска 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Угольные паровые электростанции производят около 40% мирового
электричества. Ожидается, что их использование будет расти в течение ближайших 30 лет в связи с ростом глобального спроса на электроэнергию. Работающие на угле электростанции являются интенсивными источниками
глобальных выбросов CO2. Любое улучшение эффективности работы угольных электростанций оказывает большое влияние на условия окружающей
среды в мире [1,2,3]. КПД угольных паровых электростанций в значительной
степени контролируется достигаемой температурой и давлением, которые
ограничены свойствами конструкционных материалов [4,5]. Потенциальными материалами для изготовления основных компонентов котлов и турбин в
энергоблоках являются мартенситные 9-12% Cr стали [6,7]. Стали мартенситного класса обладают определенным набором свойств, обеспечивающих
их работоспособность при высоких температурах под давлением: высокое
сопротивление ползучести, устойчивость к термической усталости, стойкость
к окислению, а также низкую стоимость и хорошую технологичность
[8,9,10]. Использование данного класса сталей позволит осуществить переход
на новые суперсверхкритические параметры пара (температура 620-630°С,
давление 30 МПа.), что приведет к увеличению КПД угольных электростанций с 30 до 44-47% и снижению удельных выбросов CO2 в атмосферу примерно на 30% [11].
В настоящее время исследования по повышению сопротивления ползучести 9-12% Cr мартенситных сталей при рабочих температурах 650°С показали важность учета микроструктурных изменений при ползучести, например, укрупнение карбонитридов и интерметаллических соединений, а также
укрупнение субзерен [12,13]. Стали с содержанием хрома 9-10%, дополнительно легированные V, Nb и N для образования мелких карбонитридов МХ,
демонстрируют высокие значения долговременной ползучести до 100,000 часов при температуре 600°С [23,24]. Однако, 9-10% Cr стали имеют ограниченную стойкость к окислению, и с целью повышения рабочей температуры
пара выше 600°С, более высокое содержание Cr до 11-12% является обязательным фактором для повышения стойкости к окислению [25]. Однако, 11-
12% Сr стали демонстрируют более низкие значения долговременной ползучести, что связано с выделением Z-фазы (Cr(V,Nb)N нитриды), которая растворяет мелкодисперсные нитриды MX [18,19]. Недавние исследования показали, что выделение Z-фазы вызвано высоким содержанием Cr в этих сталей
[20,21,22], и ускоряется при добавлении в химический состав стали кобальта.
Избежать образования вредной фазы Cr(V,Nb)N можно путем снижения содержания азота, однако, при этом снижается и доля МХ карбонитридов
[26,27]. В этом случае, в качестве альтернативы, необходимо исследовать
влияние других упрочняющих фаз на сопротивление ползучести. Таким образом, исследование новых 11-12Cr сталей с низким содержанием азота становится актуальным для развития класса мартенситных сталей.
электричества. Ожидается, что их использование будет расти в течение ближайших 30 лет в связи с ростом глобального спроса на электроэнергию. Работающие на угле электростанции являются интенсивными источниками
глобальных выбросов CO2. Любое улучшение эффективности работы угольных электростанций оказывает большое влияние на условия окружающей
среды в мире [1,2,3]. КПД угольных паровых электростанций в значительной
степени контролируется достигаемой температурой и давлением, которые
ограничены свойствами конструкционных материалов [4,5]. Потенциальными материалами для изготовления основных компонентов котлов и турбин в
энергоблоках являются мартенситные 9-12% Cr стали [6,7]. Стали мартенситного класса обладают определенным набором свойств, обеспечивающих
их работоспособность при высоких температурах под давлением: высокое
сопротивление ползучести, устойчивость к термической усталости, стойкость
к окислению, а также низкую стоимость и хорошую технологичность
[8,9,10]. Использование данного класса сталей позволит осуществить переход
на новые суперсверхкритические параметры пара (температура 620-630°С,
давление 30 МПа.), что приведет к увеличению КПД угольных электростанций с 30 до 44-47% и снижению удельных выбросов CO2 в атмосферу примерно на 30% [11].
В настоящее время исследования по повышению сопротивления ползучести 9-12% Cr мартенситных сталей при рабочих температурах 650°С показали важность учета микроструктурных изменений при ползучести, например, укрупнение карбонитридов и интерметаллических соединений, а также
укрупнение субзерен [12,13]. Стали с содержанием хрома 9-10%, дополнительно легированные V, Nb и N для образования мелких карбонитридов МХ,
демонстрируют высокие значения долговременной ползучести до 100,000 часов при температуре 600°С [23,24]. Однако, 9-10% Cr стали имеют ограниченную стойкость к окислению, и с целью повышения рабочей температуры
пара выше 600°С, более высокое содержание Cr до 11-12% является обязательным фактором для повышения стойкости к окислению [25]. Однако, 11-
12% Сr стали демонстрируют более низкие значения долговременной ползучести, что связано с выделением Z-фазы (Cr(V,Nb)N нитриды), которая растворяет мелкодисперсные нитриды MX [18,19]. Недавние исследования показали, что выделение Z-фазы вызвано высоким содержанием Cr в этих сталей
[20,21,22], и ускоряется при добавлении в химический состав стали кобальта.
Избежать образования вредной фазы Cr(V,Nb)N можно путем снижения содержания азота, однако, при этом снижается и доля МХ карбонитридов
[26,27]. В этом случае, в качестве альтернативы, необходимо исследовать
влияние других упрочняющих фаз на сопротивление ползучести. Таким образом, исследование новых 11-12Cr сталей с низким содержанием азота становится актуальным для развития класса мартенситных сталей.
9-12% Cr жаропрочные стали были исследованы при помощи термодинамического моделирования и эксперимента. Расчеты Thermo Calc показали
влияние легирующих элементов (12 компонентов сплавов) на фазовый состав, а также на изменение данного фазового состава от температуры. Моделирование также предоставило ценную информацию для корректировки параметров термической обработки.
На основании экспериментальных результатов для исследуемой стали
10Х12К4В2ДМФБР были сделаны следующие выводы:
1) Проведенные эксперименты показали, что оптимальной температурой гомогенизации является температура 1150°С в течение 10 часов. Количество черных прослоек по границам зерен снижается до минимума.
2) При увеличении температуры нормализации от 1050°С до 1150°С
доля карбонитридов снижается с 0,34 до 0,13 %, что приводит к росту ИАЗ
от 20 мкм до 56 мкм. Одновременно с этим, доля δ-феррита возрастает с 3 до
11%, соответственно
На основании параметров структуры, оптимальной температурой нормализации исследуемой стали 10Х12К4В2ДМФБР была выбрана температура 1070°С в течение 10 часов. Нормализация с 1070°С обеспечивает размер
исходного аустенитного зерна 50 мкм при содержании δ-феррита <5%.
3) Была установлена оптимальная температура отпуска, которая составила 800°С в течение 8 час, охлаждение на воздухе.
Отпуск при данной температуре обеспечивает величину твердости 206
НВ и величину ударной вязкости 47 Дж/см2, что соответствует требованиям,
предъявляемым к котельным сталям.
Таким образом, была подобрана термическая обработка стали
10Х12К4В2ДМФБР, заключающаяся в гомогенизации при 1150°С с охлаждением на воздухе, нормализации с 1070°С с охлаждением на воздухе и отпуске при 800°С с охлаждением на воздухе.
влияние легирующих элементов (12 компонентов сплавов) на фазовый состав, а также на изменение данного фазового состава от температуры. Моделирование также предоставило ценную информацию для корректировки параметров термической обработки.
На основании экспериментальных результатов для исследуемой стали
10Х12К4В2ДМФБР были сделаны следующие выводы:
1) Проведенные эксперименты показали, что оптимальной температурой гомогенизации является температура 1150°С в течение 10 часов. Количество черных прослоек по границам зерен снижается до минимума.
2) При увеличении температуры нормализации от 1050°С до 1150°С
доля карбонитридов снижается с 0,34 до 0,13 %, что приводит к росту ИАЗ
от 20 мкм до 56 мкм. Одновременно с этим, доля δ-феррита возрастает с 3 до
11%, соответственно
На основании параметров структуры, оптимальной температурой нормализации исследуемой стали 10Х12К4В2ДМФБР была выбрана температура 1070°С в течение 10 часов. Нормализация с 1070°С обеспечивает размер
исходного аустенитного зерна 50 мкм при содержании δ-феррита <5%.
3) Была установлена оптимальная температура отпуска, которая составила 800°С в течение 8 час, охлаждение на воздухе.
Отпуск при данной температуре обеспечивает величину твердости 206
НВ и величину ударной вязкости 47 Дж/см2, что соответствует требованиям,
предъявляемым к котельным сталям.
Таким образом, была подобрана термическая обработка стали
10Х12К4В2ДМФБР, заключающаяся в гомогенизации при 1150°С с охлаждением на воздухе, нормализации с 1070°С с охлаждением на воздухе и отпуске при 800°С с охлаждением на воздухе.
Подобные работы
- Влияние технологических режимов на структурообразование композиционных материалов, полученных методом индукционной наплавки
Бакалаврская работа, материаловедение . Язык работы: Русский. Цена: 4300 р. Год сдачи: 2021 - МИКРОСТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА С 12%CR
Дипломные работы, ВКР, материаловедение . Язык работы: Русский. Цена: 4770 р. Год сдачи: 2018 - СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ СТАЛИ
ТИПА 10Х11К3В3ДМФБРА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
Дипломные работы, ВКР, материаловедение . Язык работы: Русский. Цена: 4910 р. Год сдачи: 2018 - ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПРИЛОЖЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЯХ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА В ПРОЦЕССЕ ПОЛЗУЧЕСТИ
Бакалаврская работа, материаловедение . Язык работы: Русский. Цена: 4340 р. Год сдачи: 2016 - ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ, КРАТКОВРЕМЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ПОВЕДЕНИЯ ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ ПЕРСПЕКТИВНОЙ МАРТЕНСИТНОЙ 10%СЯ СТАЛИ С ДОБАВЛЕНИЕМ 0,2%RE
Дипломные работы, ВКР, материаловедение . Язык работы: Русский. Цена: 4380 р. Год сдачи: 2018 - Особенности формирования структуры наплавленного металла и ЗТВ
конструкционной стали в условиях вне вакуумной электронно-лучевой наплавки
Дипломные работы, ВКР, технология производства продукции. Язык работы: Русский. Цена: 6400 р. Год сдачи: 2016