清華大學&鋼研總院MSEA: G115耐熱鋼蠕變斷裂壽命新研究
2020-06-09 來源： Goal Science
9-12%Cr馬氏體耐熱鋼憑借良好的蠕變抗性、氧化抗性和低成本等優勢，成為火力發電站中耐熱結構部件的重要材料。蠕變斷裂壽命是耐熱鋼的重要評價指標（通常需要達到10萬小時以上），因此理解高溫服役條件下的蠕變斷裂機理以及精確預測服役壽命顯得尤為關鍵。耐熱鋼的蠕變斷裂壽命與組織演化及孔洞行為息息相關，然而對于我國鋼鐵研究總院自主研發的G115新型耐熱鋼，相關機理尚未清晰，同時，基于孔洞長大模型的壽命預測理論尚未在9-12%Cr耐熱鋼中得到系統應用。
近日，清華大學張弛和鋼鐵研究總院劉正東（共同通訊作者）團隊針對G115耐熱鋼，設計了一系列130-200MPa應力下的蠕變實驗，從組織變形，大小角晶界，析出相，應變集中與形變織構，蠕變孔洞特征等方面進行了系統表征。同時，利用限制擴散孔洞長大模型實現了對蠕變壽命的良好預測。相關成果發表在期刊Materials Science and Engineering: A，題目為“Correlation of creep fracture lifetime with microstructure evolution and cavity behaviors in G115 martensitic heat-resistant steel”。
研究發現，當蠕變應力超過160MPa時，顯微組織發生顯著變形，大角晶界的面密度急劇提高。除了在拉伸晶界和細化晶粒附近產生應變集中外，高應力還會產生強烈的{001}<110>//RD形變織構，這會進一步促進蠕變強度的退化和蠕變孔洞的形成。
圖1 不同應力下蠕變樣品中組織形態與析出相特征（TEM）(a) 923K，200MPa; (b) 923K, 130MPa
不同應力下的樣品斷口都發現致密非均勻分布的韌窩，表明G115鋼在實驗應力下的斷裂機理為韌性斷裂。然而，低應力長時蠕變試樣的斷口呈現顆粒狀，且能觀察到大量析出相和次生孔洞，表明韌性斷裂向脆性斷裂的轉變正在發生，這是由Laves相在蠕變過程中的大量析出與迅速粗化導致的。
圖3 不同應力蠕變試樣的斷口特征(a) 200MPa, (b) 180MPa, (c) 160MPa, (d) 140MPa, (e) 130MPa, (f) 圖(e)局部放大
文章對比了無限制擴散長大和限制擴散長大兩種孔洞模型的模擬結果，后者更好地預測了G115鋼的蠕變斷裂壽命，這與前人在其他商用鋼種中的研究結果相一致。
圖4 基于孔洞長大模型預測的(a)孔洞長大速率和(b)蠕變斷裂壽命
本文系統地研究了國產G115新型耐熱鋼在923K、130-200MPa條件下，蠕變斷裂壽命與組織演化及孔洞行為的關系，并利用限制擴散孔洞長大模型實現了對蠕變壽命的良好預測。此工作對后續馬氏體耐熱鋼的優化及設計具有一定的指導意義。
團隊介紹
清華大學楊志剛/張弛/陳浩團隊，長期從事金屬材料研究，研究領域涉及金屬中的相變、高溫金屬材料、汽車高強鋼、金屬氧化、空冷貝氏體鋼、非晶合金等。先后承擔了國家973計劃項目、國家863計劃項目、國家ITER計劃專項、國家自然科學基金項目等科研項目，獲得國家自然科學二等獎等多項科技成果獎勵。
鋼鐵研究總院劉正東團隊主要從事軍用和民用耐熱材料的設計、研究開發和技術服務工作，涉及航空、航天、核動力、艦船等軍工領域，以及能源、石化、交通和冶金等民用領域。鋼種包括低合金耐熱鋼、合金耐熱鋼、不銹耐熱鋼和鐵鎳基高溫合金等。對不同類型的耐熱材料均有深入的研究，并在合金設計、鍛（軋）過程組織和性能調控與預報、鋼鐵材料數據庫、材料加工過程有限元模擬仿真等方面積累了豐富的經驗。提出并發展了耐熱鋼的“多元素復合強化”理論，在國內外產生了深遠的影響。
團隊在該領域的工作成果匯總
本團隊自主研發可用于630℃至650℃的G115耐熱鋼，并完成對其顯微組織分析（Materials Science & Engineering A 588 (2013) 22–28）和熱處理工藝設計（Materials Science & Engineering A 597 (2014) 148–156；Materials and Design 54 (2014) 874–879），并針對W元素對高溫時效過程（Materials Science & Engineering A 729 (2018) 161–169）和蠕變過程（Materials Characterization 149 (2019) 95–104）的組織和性能演化展開研究。鋼鐵研究總院劉正東團隊與寶鋼集團有限公司合作共同實現G115耐熱鋼的工程化，2017年12月通過市場準入評審后，G115®鋼成為目前世界上唯一可用于630℃超超臨界燃煤電站大口徑厚壁管制造的候選鋼種。
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[1] Yan, Peng, et al. "Effect of microstructural evolution on high-temperature strength of 9Cr–3W–3Co martensitic heat resistant steel under different aging conditions." Materials Science and Engineering: A 588 (2013): 22-28.
[2] Yan, Peng, et al. "Effect of microstructural evolution on high-temperature strength of 9Cr–3W–3Co martensitic heat resistant steel under different aging conditions." Materials Science and Engineering: A 588 (2013): 22-28.
[3] Liu, Zhen, et al. "Evolution of the microstructure in aged G115 steels with the different concentration of tungsten." Materials Science and Engineering: A 729 (2018): 161-169.
[4] Dong, Chen, et al. "Carbide dissolution and grain growth behavior of a nickel-based alloy without γ′ phase during solid solution." Journal of Alloys and Compounds 825 (2020): 154106.
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