珠光体耐热钢(知识资料)

1.2关于珠光体耐热钢的研究

珠光体耐热钢在化工、石油设备中主要用于炉管、热交换器和其它受热面管子、高压加氢设备中的各种管道和高温紧固件。

1.2.1珠光体耐热钢的特点

珠光体耐热钢除碳钢外，大多是含有铬、钼元素，少数的还含有钒元素，但含量都不大，所以当加热、冷却时都能发生a γ相的转变。经正火后，容易得到珠光体组织，因此，这类钢称为珠光体耐热钢。

作为石油化工热交换器和锅炉用钢，除了要求有较好的耐热性外，还要求有很好的焊接性能和冷加工性能，为此，这类钢应具有良好的塑性。因此，其化学成分中含碳量都很低，其中钢管的含碳量要求更低，一般在0.1~0.15%C之间；钢板为0.20~0.30%C之间，最多不能超过0.30%C。

这类钢作为耐热钢，其耐热性虽然比奥氏体钢低，但它有许多优点：

1) 这类钢合金元素少，价格比较便宜；

2) 冷、热加工性能和焊接性能较好，热膨胀系数低，导热性能强，从而可

避免焊接时引起局部过热和产生较大的应力；

3) 热处理工艺简单，一般为正火加回火，能改善机械性能，也能利用热处

理细化组织。

但这类钢耐热性较差，它的工作温度一般不超过550~580℃。

1.2.2珠光体耐热钢的组织稳定性

在高温、应力长期作用下，由于扩散过程加快，钢的组织将逐渐发生变化。由于组织的不稳定性将引起钢的性能的变化，特别是对钢的热强性、松弛稳定性等性能都会带来不利的影响。珠光体耐热钢在高温长期工作条件下常见的组织不稳定现象有：

1.2.2.1石墨化

钢在高温、应力长期作用下，由于珠光体内渗碳体分解为游离石墨的现象称为石墨化。低碳钢当温度于450℃以上，含0.5%Mo的钢在500℃左右长期工作时，都可能发生石墨化，此时，钢脆化，强度与塑性降低，可导致爆管等事故。对由于长期过热导致爆管的20钢分析发现，其石墨化已达三级。一般钢发生石墨化的时间约需几万小时。防止0.5%Mo钢石墨化的最有效方法是实行进一步的合金化。在钢中加入铬、钒、铌等强碳化物形成元素能有效地阻止石墨化。

1.2.2.2珠光体球化

低合金珠光体型耐热钢在高温和应力长期作用下，珠光体组织中片状渗碳体逐渐自发地趋向形成球状渗碳体，并慢慢聚集长大。该现象称为珠光体球化。文献[5]对碳化物的球化过程和机理进行了探讨。影响球化的主要因素是温度、时间和化学成分。

实践表明，低合金耐热钢中加入铬、钼、钨、钒、铌等合金元素能显著地减弱其球化过程。这些合金元素的单个加入或复合加入后都能起到良好的作用。其原因是，它们能减弱碳在α固溶体中的扩散，同时这些合金元素又能与碳形成稳定的碳化物。

1.2.2.4蠕变过程中析出相类型的转变

在高温和应力条件下长期作用下，由于珠光体中Fe3C的分解，固溶体内合金元素向碳化物过渡以及碳在α固溶体内扩散过程加速进行，会引起在蠕变过程中碳化物相析出类型发生变化，从而影响钢的热强性。

文献[7-13]对低合金铬钼钢和铬钼钒钢长期服役后的碳化物相进行了研究，其转变过程大致是：珠光体组织中Fe3C球化和分解，在铁素体基体中开始析出M7C3、M23C6、M2C等不同类型的碳化物，同时发生固溶体内合金元素的贫化，随工作时间的增长，碳化物颗粒也聚集长大，最后转变为M6C碳化物。

1.2.3珠光体耐热钢的热强性能

珠光体耐热钢是在高温和应力下长期使用的材料，因此要求钢具有长期热强性能，通常这指的是钢在高温和应力长期作用下的拉变形和抗断裂能力。它的基本判据是蠕变极限和持久强度。对紧固件用钢来说，松弛稳定性也是重要判据之一。

1.2.3.1蠕变极限

通常所说的蠕变极限都属于条件蠕变极限，它是由蠕变第二阶段的蠕变速率所确定下来的应力，或在一定时间间隔内达到规定的总形变时的应力。蠕变极限表明材料在高温下的形变抗力，它随温度的提高而降低。许可的蠕变形变的大小，取决于零部件的工作条件及对零部件所要求的使用期限。

1.2.3.2持久强度

持久强度表明材料在高温和应力长期作用下的抗断裂能力，通常用以表示材料在给定温度下经过规定时间发生断裂的应力。持久强度是进行高温材料强度计算的另一个判据。有些部件如锅炉过热器管及再热器管，对蠕变速率的限制不严，但必须保证在使用期间内不致爆破。这些部件的主要设计依据便是持久强度。长期持久强度是通过较短期的持久强度试验求出规定温度和规定应力下到断裂所经历的时间外推求得的。通过对12Cr1MoV、12CrMo、10CrMo910等三种热强钢的持久强度数据分析表明，它们的持久强度均最佳服从对数正态分布，经不同时间运行后的12Cr1MoV钢其持久强度仍在其原始状态持久强度分散带内，揭示了高温性能数据资源共享的可行性。

1.2.3.3松弛稳定性

保持线尺寸不变的受力试样或机件，在给定温度下，在力的作用方向上，靠弹性变形的减少，塑性变形的逐渐增加，使应力随时间逐渐自发降低的现象叫做松弛。可以用下列条件来表示松弛过程：

ε

总= ε

弹

+ε

塑

=常数

σ≠常数

目前对松弛的机理还没有完整的认识，一般认为第一阶段松弛主要发生在晶界上，晶界的扩散过程起主要作用；第二阶段松弛主要发生在晶粒内部，由镶嵌块的转动或移动所引起的。

1.2.4.2 1Cr5Mo钢

1Cr5Mo是石化行业中广泛采用的珠光体耐热钢，在550℃以下有一定的热强性，650℃以下有较好的抗氧化性，在热石油介质中有很好的耐蚀性。适用于制造石油蒸馏的管道及容器，广泛用于制造热交换器和再热器等。近年来关于1Cr5Mo比较系统而深入的研究不多。目前的研究主要集中在两方面，一是对在役的1Cr5Mo炉管进行组织性能分析及剩余寿命预测，二是对损坏的1Cr5Mo炉管进行失效分析。加拿大学者May将转化炉炉管的高温蠕变损伤分为五级，各级对应于不同的剩余寿命，见图1-l所示。张礼敬等利用这一方法对Cr5Mo炉管进行了剩余寿命的评估，即在破裂部位组织严重损伤，被定为E级(存在宏观裂纹)；旧管部位的组织为B-C级(形成空洞)，其接近总寿命的1/3。文献[44]研究

了经长期高温压力服役后的1Cr5Mo耐热钢管道，分析了材料在服役条件下的显微组织和力学性能，不仅确保了设备的安全运行，而且也为能否超期服役及其剩余寿命估算提供可靠依据。文献[45]对1Cr5Mo炉管失效原因进行了分析，指出了Cr-Mo钢炉管正常损伤和非正常损伤的原因，并提出了延长炉管使用寿命的建议。