【正文】 101 84 68 52 31 10萬小時(shí)持久強(qiáng)度 176 151 125 101 78 46 10萬小時(shí)持久強(qiáng)度 148 126 105 85 65 39 表 T23的主要物理性能 溫度℃ 參數(shù) 50 100 200 300 400 500 600 650 重慶科技學(xué)院?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì) 2 SA213T23鋼管的綜合性能 5 表 （續(xù)） 彈性模量 GPa 206 203 196 189 181 171 160 154 熱傳導(dǎo)率 W/(m?k) 線膨脹系數(shù) 1/(106℃ ) 密度 g/cm3 —— —— —— —— —— —— —— 由 以 上表中可以看到， T23 鋼與我國在 20 世紀(jì) 60 年代開發(fā)的鋼 102 (12Cr2MoWVTiB)有近似的合金系統(tǒng)和含量，它是在 T22 鋼的基礎(chǔ)上加入了鎢，減少了鉬，把碳含量降低到了 ％～ ％。實(shí)踐證明，當(dāng)鋼材的厚度超過 10mm 時(shí)，需要加大正火冷卻速度 (水冷卻 )，以保證最佳的力學(xué)性能。當(dāng)同時(shí)加入 Nb和 V時(shí)Nb 的作用比 V大。由于這時(shí)針狀 （ 或板條狀 ） 鐵素體內(nèi)及板條間均沒有連續(xù)的滲碳體 ， 因此 ，這 種形態(tài)貝氏體韌性極佳 。鋼加入少量的鈦 （ 約 %） 它既脫氮保護(hù)硼 ， 又通過微細(xì) TiN 析出控制奧氏體晶粒的快速長大。 正火工藝的影響 奧氏體化溫度對熱強(qiáng)鋼性能有顯著的影響 ， 隨著奧氏體化溫度提高 ， 耐熱鋼的熱強(qiáng)性增加。因 此， 奧氏體晶粒度不僅對室溫強(qiáng)度 ， 而且對高溫持久強(qiáng)度也有一個(gè)最佳范圍。 T23 鋼的回火溫度一般為 760～ 790℃。硬度測定結(jié)果也反映出類似的變化規(guī)律 [圖 (b)]。 TEM 衍射斑點(diǎn)分析結(jié)果表明，蠕變斷裂后析出物仍以M23C6和 MX 為主。 (a)供應(yīng)狀態(tài)； (b)t=730 h； (c) t=1929 h； (d) t= h 圖 供應(yīng)狀態(tài)及 600℃ 蠕變狀態(tài)下國產(chǎn) T23鋼的 SEM 照片 重慶科技學(xué)院?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì) 2 SA213T23鋼管的綜合性能 10 (a)t=1929 h； (b)t= h 圖 經(jīng) 600℃ 蠕變后 T23鋼的顯微組織 ③ 550℃及 650℃持久試驗(yàn) 550℃ 、 650℃蠕變后的微觀組織演變規(guī)律與 600℃蠕變時(shí)相似，但隨溫度升高，組織演變進(jìn)程加快。另外，鋼中大量位錯(cuò)產(chǎn)生的強(qiáng)化作用也可有效提高其強(qiáng)度。 重慶科技學(xué)院專科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 SA213T23鋼管的綜合性能 11 通過以上分析可知，國產(chǎn) T23 鋼在高溫和 應(yīng)力下，由于多種因素的綜合作用致使其性能下降，但在整個(gè)蠕變斷裂過程中，各種因素的影響程度不盡相同。當(dāng)蠕變斷裂時(shí)間僅 1781h 時(shí)，組織中已有較多的亞晶，因而性能下降快。隨蠕變斷裂時(shí)間的延長，位 錯(cuò)密度降低，M23C6 碳化物聚集、長大，蠕變斷裂時(shí)間增加到一定時(shí)，有少量 M23C6 轉(zhuǎn)變?yōu)?M6C。 T23 鋼具有焊縫韌性低以及焊縫韌性對焊接工藝參數(shù)敏感的特點(diǎn)。在臨界溫度范圍內(nèi)提高焊后回?zé)釡囟?、延長回火時(shí)間有利于提高焊縫韌性。對于焊接來說，大的焊接線能量將導(dǎo)致數(shù)量較多的 δ 相，此時(shí)，焊縫不但韌性差，而且蠕變強(qiáng)度惡化。 焊縫的未熔合 SA213T23鋼屬于 2． 25Cr1． 6WMo鋼，常溫金相組織為貝氏體，含有較高成分的 W元素，并且 W的熔點(diǎn)較高，使得熔敷金屬在熔化時(shí)粘度提高，因此，要求焊工在焊接操作時(shí)一定要注意母材和焊材的熔化程度，保證根部和層 間 熔化良好。坡口角度≥ 30176。 熄弧時(shí) , 應(yīng)填滿弧坑將熔池逐漸縮小并移向焊縫邊緣處收弧。經(jīng)過對 T23鋼進(jìn)行多次不同正火溫度和不同回火溫度的試驗(yàn)研究和比較 ， 選擇了對 T23鋼管 1050～ 1080℃保溫 20min以上正火及760～ 790℃保溫 60min以上回火的熱處理制度 ， 熱處理后 T23鋼管的常溫組織是粒狀貝氏體。 拉伸試驗(yàn) 1個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度為 587MPa，斷裂位置離焊縫 12mm； 另一個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度為612MPa， 斷裂位置離焊縫 21mm。考慮到工程中的實(shí)際情況，采用氧一乙炔火焰烘烤后用保溫材料包好冷卻，試件的沖擊值依然較低，但比不熱處理有了一定的改善，焊縫區(qū)的 3個(gè)試件的 縱 向 V型缺口沖擊值分別為 、 ，但仍不合格。原工藝焊接的試樣：焊縫區(qū)為粗大的貝氏體組織 、 熱影響區(qū)為貝氏體組織 、 母材為回火貝氏體。在此向 陳 老師表示崇高的敬意和衷心的感謝 ! 在本文撰寫期間，還得到 焊接試驗(yàn)室其他老師的無私幫助和指導(dǎo)，使論文能夠順利完成，在此深深致謝 ! 感謝本專業(yè)各位同學(xué)給予我的協(xié)作與支持，對于在百忙之中評審本人論文的專家學(xué)者及答辯委員們表示衷心的感謝 ! 感謝一切支持、關(guān)心、幫助我的各位老師、朋友、同學(xué)們。 a． 焊縫 520 b．熱影響區(qū) 520 重慶科技學(xué)院?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì) 5 SA213T23 鋼的焊接工藝評定 19 C． 回火母材 520 圖 原工藝焊接試樣金相組織 a. 回火焊縫 520 b． 回火熱影響區(qū) 520 C. 回火母材 520 圖 熱處理后焊接試樣金相組織 重慶科技學(xué)院?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì) 5 SA213T23 鋼的焊接工藝評定 20 結(jié) 論 (1) 雖然 T23的含碳量低，可不熱處理，但經(jīng)過試驗(yàn)，沖擊值達(dá)不到規(guī)范要求，不能滿足工藝要求。 由于其 Acl轉(zhuǎn)變溫度為 800～ 820℃ ，故選用恒溫溫度為 730～ 750℃ 、 恒溫 2 h。 彎曲試驗(yàn) 4個(gè)彎曲試樣 (2個(gè)面彎 、 2個(gè)背彎 )經(jīng) 過 彎曲直徑 d=4t、彎曲角度 180176。 重慶科技學(xué)院?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì) 5 SA213T23 鋼的焊接工藝評定 17 5 SA213T23 鋼的焊接工藝評定 焊接工藝試驗(yàn) 工藝試驗(yàn)按 以上提供的 工藝進(jìn)行。 焊接操作中的幾個(gè)要點(diǎn) 鎢極錐度磨到 15176。焊縫的對口簡圖見圖 。 重慶科技學(xué)院?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì) 4 SA213T23 ?60 8mm鋼管焊接工藝 15 4 SA213T23 φ 60 8mm鋼管焊接工藝 焊接 實(shí)驗(yàn)用材料和規(guī)格： SA213T2 60mm 8 mm。另外一個(gè)要考慮的因素就是此類鋼是細(xì)晶粒鋼，它是經(jīng)正火 +回火處理，微觀組織為回火貝氏體 +馬氏體和經(jīng)優(yōu)化處理后的細(xì)小析出物，所以說在焊接中保證其組織的細(xì)小、均勻是很必要的。最后選擇線能量小、熔敷金屬含氧量低的焊接方法也是有利于保證焊縫韌性的措施。而采用焊條電弧焊焊接的焊縫，在焊后熱處理前，室溫下韌度僅為 30J/cm2 左右，只有經(jīng)過熱處理后，才達(dá)到 100J/cm2 以上，這些數(shù)據(jù)說明，用 SMAW 方法焊接的焊縫必須經(jīng)過熱處理以后才能使其韌度達(dá)到較高的水平。隨蠕變斷裂時(shí)間的延長，貝氏體鐵素體基體和小島中板條馬氏體的回復(fù)及再結(jié)晶的影響逐漸增強(qiáng)，尤其是當(dāng)蠕變溫度較高時(shí)，貝氏體鐵素體基體和小島中板條馬氏體的回復(fù)、再結(jié)晶開始較早，對性能下降的影響提前。 從以上分析得知， M23C6 型碳化物的粗化與貝氏體鐵素體基體和小島中板條馬氏體的回復(fù)、再結(jié)晶對國產(chǎn) T23 鋼的高溫持久性能下降影響較大，但不同階段的影響程度不同?？梢钥闯?，在 550℃ [圖 (a)]，蠕變斷裂時(shí)間不到 5115h時(shí)， M23C6碳化物粗化比較明顯，是導(dǎo)致性能下降的主要原因；隨著蠕變斷裂時(shí)間的延長， M23C6繼續(xù)粗化程度不顯著，而貝氏體鐵素體基體和小島中板條馬氏體的回復(fù)、再結(jié)晶逐漸加強(qiáng)，對性能下降的影響逐漸增強(qiáng)；當(dāng)蠕變 斷裂時(shí) 間 超過10150h 時(shí)，貝氏體鐵素體基體和小島中板條馬氏體的回復(fù)、再結(jié)晶對性能下降的影響更加突出。蠕變過程中，由于晶界附近的位錯(cuò)向晶界移動(dòng)，促使更多的碳原子和碳化物形成元素 (如鉻、鉬、鎢等 )向晶界移動(dòng)。蠕變時(shí)間延長到 1781h 時(shí)，亞晶特征更加明顯，蠕變時(shí)間進(jìn)一步延長到 5109 h 后 ,基本上全部為亞晶。 MX碳氮化物在整個(gè)蠕變斷裂試驗(yàn)過程中比較穩(wěn)定，粗化不明顯。 TEM 觀察結(jié)果表明，這些小島狀物質(zhì)基本為略有回復(fù)的板條馬氏體 [圖 (a)]。熱處理工藝采用正火 +回火，持久試驗(yàn)分別在 550 ℃、重慶科技學(xué)院?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì) 2 SA213T23鋼管的綜合性能 8 600℃ 和 650℃進(jìn)行。奧氏體化溫度對鋼性能的影響 ， 其實(shí)質(zhì)是通過隨后的正火工藝來影響鋼的組織與結(jié)構(gòu)。同時(shí) ， 他們認(rèn)為第二相粒子的大小、數(shù)量、形狀和分布及晶粒大小是導(dǎo)致不同溫度淬火后持久性能不同的主要原因。 熱處理工藝對 T23 鋼組織與性能的影響 T23 鋼的熱處理工藝通常分為奧氏體化后空冷 (正火 )和高溫回火兩個(gè)部分 。 Si 的作用 ① 不同厚度的鋼板在熱軋過程中 ， 采用不同含量的 硅 時(shí) ， 在終軋時(shí)的奧氏體晶粒細(xì) ， 晶粒變形程度很高 ， 經(jīng)加速冷卻后 ， 可以得到細(xì)的貝氏體組織 （ 常是粒狀貝氏體與部分板條狀貝氏體的混合物 ）， 可以保證鋼種必要的強(qiáng)度。最新研究表明耐熱鋼中 ， 由于少量的 Nb、 V、 N 的加入 ， 在晶界及晶內(nèi)生成了大量形狀復(fù)雜的 Nb、 V（ C， N）， 它們在高溫塑性變形過程中比簡單的球形析出物更能有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) ， 因?yàn)榧词刮诲e(cuò)已攀移繞過球形析出物 ， 也能被翼狀析出物截獲 ， 同時(shí)翼狀析出物也增大了捕獲位錯(cuò)的幾率 ， 大大提高了持久強(qiáng)度。 合金元素對 SA213T23 組織及性能的影響 Cr、 Mo 元素的作用 Cr 元素的作用有兩方面 ， 一方面提高了鋼的抗氧化性和耐腐蝕性 ； 另一方面固溶于基體中 起固溶強(qiáng)化的作用 ， 并且在回火和時(shí)效的過程中形成 M23C6相起到了析出強(qiáng)化的作用。除了這些變動(dòng)以外， T23 鋼的硫、磷等雜質(zhì)含量都被明顯地限制和降低了。 SA213T23 鋼的設(shè)計(jì)思路是采用較低的碳含量，提高焊接性能，加入少量 B(≤ )使鋼全部為貝氏體組織獲得較好的韌性，減少 Mo含量而加入 W 進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化，同時(shí)通過 V、 Nb、 B進(jìn)行沉淀析出強(qiáng)化。我國在 20 世紀(jì) 70 年代開發(fā)了與 SA213T23 相近材料12Cr2MoWVTiB(代號為鋼 102)，該材料是根據(jù)微合金理論研究出來的一種耐熱鋼，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn) 定可靠。因此，從工藝要求出發(fā)， SA213T23 鋼用于鍋爐水冷壁管有其明顯的優(yōu)勢。由于該材料在 (550～ 600) ℃具有良好的蠕變性能和許用應(yīng)力 ,因此它將是 (200～300) MW 以上鍋爐介于 12Cr1MoV 與 T91 或不銹鋼之間的一種很好的過渡材料。 SA213T23 鋼管綜合性能良好，其最高使用溫度為 600℃，可用于制造大 型亞臨界電站鍋爐金屬壁溫不超過 600℃的過熱器和再熱器；或用作超超臨界鍋爐的水冷壁材料?？梢姡糜谥谱?USC 鍋爐水 冷壁的材料不僅應(yīng)該在 550～ 570℃下具有足夠的蠕變斷裂強(qiáng)度，而且要求焊前不用預(yù)熱、焊后不必?zé)崽幚淼暮附有粤己玫匿摬?。長期運(yùn)行后，由于管壁形成垢層，管壁溫度可升至 513℃。采用超臨界、超超臨界機(jī)組是提高火電機(jī)組的熱效率、節(jié)約能源、防