第7章 长期在高温条件下金属材料组织结构变化

在室温条件下，钢材的组织比较稳定，不随时间而改变。在高温下，由于金属原子热运动，在长期工作中，金相组织会将不断发生变化，并可能导致性能改变。

钢材长期在高温条件下的组织变化主要有：珠光体球化，石墨化，合金元素重新分配。

7.1         珠光体球化

锅炉及压力容器上常用的碳素钢及低合金钢都是过共 析珠光体钢。

P中F和Fe₃C均呈薄片状分布。

片状物的表面积与体积之比球状物的表面积与体积之比大，即在同样体积情况下，片状物比球状物有更大的体积。因此，片状物比球状物具有更大的表面能。根据热力学第二定律，具有较大能量的状态有自行向能量较小的状态转变的趋势。所以片状珠光体是一种不稳定的组织，其中渗碳体有自行转变成球状并聚集成大球团的趋势。这种球化过程是以扩散为基础的，当温度较高时，原子的活动能力增强，扩散速度加快，片状渗碳体逐渐转变成球状，再聚集成大球团。

球化-聚集见右图

7.1.1          球化对金属性能的影响

7.1.1.1    对室温机械性能影响

降低室温强度σ_s及σ_b

对低碳钢和低碳钼钢：

    中等程度球化，强度指标下降10-15%

    严重球化，强度指标下降20-30%

7.1.1.2    对高温机械性能影响

蠕变极限和持久强度下降

                     表 严重球化对0.5Mo钢高温强度的影响

7.1.2          影响珠光体球化的因素

影响球化过程发展的主要因素是温度，时间和化学成分

珠光体球化和碳化物聚集是基于扩散的一种过程，温度对球化过程必然有很大影响。

公式  

T-绝对温度，A-物性参数，b-常数，e-自然对数底

温度升高，完全球化所需的时间便明显减少。

碳扩散速度与合金元素对碳在固溶体中扩散的影响有关。因而，凡是能形成稳定碳化物的合金元素，或进入固溶体中可降低其原子扩散系数的合金元素，均能阻止或减缓球化及其积聚过程。单纯碳钢最易球化，钛 、铌、钼、铬、钒可提高球光体稳定性。

此外，在钢的化学成分的温度相同的条件下，球化速度还与钢的晶粒度，冷加工变形度和渗碳体片大小有关。

细晶粒钢，球化时间短，总表面积大

冷加工变形度大时间短，塑性变形中的晶格畸变，导致内能增加，扩散速度加快，球化过程首先在此发生。

过小的渗碳体片缩短了扩散距离，加速球化。

7.1.3          珠光体球化的级别

分6级

7.1.4          材料发生球化后的恢复处理

可采用热处理恢复

例：16Mo钢的φ245×26蒸汽管道在9.8Mpa，510℃条件下运行约8*10⁴h后，珠光体球化，碳化物聚集在晶界上，67%Mo进入碳化相中，机械性能恶化。

加热至920℃，停留1h，在炉中打开炉门冷却80-90℃/h。

7.2         石墨化

钢中渗碳体在高温长期作用下自行分解的一种现象。

Fe₃C——>3Fe+C

石墨开始以细微点状出现，逐渐聚集成越来越粗的颗粒，石墨强度低，相当于在金属内部产生空穴。

7.2.1    对材料影响：

脆性急剧增大。

7.2.2    影响石墨化因素

温度 ：

    高温下，是一个扩散过程

合金元素 ：

    与碳结合能力强的元素均可阻止石墨化发生铬，钛，钒 ；促进石墨化，硅，铝，镍

晶粒大小：

    细晶粒钢及有加工硬化钢易发生。

7.2.3    石墨化分级

7.3         合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配

在高温下使合金元素原子活动能力增加，对一些起固溶强化作用的合金元素，铬，锰，钼（固溶体）脱落，转移至碳化物中。

固溶体引起晶格畸变从而起到强化作用，畸变晶格不稳定，在高温下就有向较稳定的碳化物中转移的趋势。

（固溶体和碳化物中）合金元素成分的变化及对高温机械性能影响：

常用珠光体热强钢 ：（1）铬钼低合金钢（2）铬钼钒低合金钢