清华大学&钢研总院MSEA: G115耐热钢蠕变断裂寿命新研究
2020-06-09 来源： Goal Science
9-12%Cr马氏体耐热钢凭借良好的蠕变抗性、氧化抗性和低成本等优势，成为火力发电站中耐热结构部件的重要材料。蠕变断裂寿命是耐热钢的重要评价指标（通常需要达到10万小时以上），因此理解高温服役条件下的蠕变断裂机理以及精确预测服役寿命显得尤为关键。耐热钢的蠕变断裂寿命与组织演化及孔洞行为息息相关，然而对于我国钢铁研究总院自主研发的G115新型耐热钢，相关机理尚未清晰，同时，基于孔洞长大模型的寿命预测理论尚未在9-12%Cr耐热钢中得到系统应用。
近日，清华大学张弛和钢铁研究总院刘正东（共同通讯作者）团队针对G115耐热钢，设计了一系列130-200MPa应力下的蠕变实验，从组织变形，大小角晶界，析出相，应变集中与形变织构，蠕变孔洞特征等方面进行了系统表征。同时，利用限制扩散孔洞长大模型实现了对蠕变寿命的良好预测。相关成果发表在期刊Materials Science and Engineering: A，题目为“Correlation of creep fracture lifetime with microstructure evolution and cavity behaviors in G115 martensitic heat-resistant steel”。
研究发现，当蠕变应力超过160MPa时，显微组织发生显著变形，大角晶界的面密度急剧提高。除了在拉伸晶界和细化晶粒附近产生应变集中外，高应力还会产生强烈的{001}<110>//RD形变织构，这会进一步促进蠕变强度的退化和蠕变孔洞的形成。
图1 不同应力下蠕变样品中组织形态与析出相特征（TEM）(a) 923K，200MPa; (b) 923K, 130MPa
不同应力下的样品断口都发现致密非均匀分布的韧窝，表明G115钢在实验应力下的断裂机理为韧性断裂。然而，低应力长时蠕变试样的断口呈现颗粒状，且能观察到大量析出相和次生孔洞，表明韧性断裂向脆性断裂的转变正在发生，这是由Laves相在蠕变过程中的大量析出与迅速粗化导致的。
图3 不同应力蠕变试样的断口特征(a) 200MPa, (b) 180MPa, (c) 160MPa, (d) 140MPa, (e) 130MPa, (f) 图(e)局部放大
文章对比了无限制扩散长大和限制扩散长大两种孔洞模型的模拟结果，后者更好地预测了G115钢的蠕变断裂寿命，这与前人在其他商用钢种中的研究结果相一致。
图4 基于孔洞长大模型预测的(a)孔洞长大速率和(b)蠕变断裂寿命
本文系统地研究了国产G115新型耐热钢在923K、130-200MPa条件下，蠕变断裂寿命与组织演化及孔洞行为的关系，并利用限制扩散孔洞长大模型实现了对蠕变寿命的良好预测。此工作对后续马氏体耐热钢的优化及设计具有一定的指导意义。
团队介绍
清华大学杨志刚/张弛/陈浩团队，长期从事金属材料研究，研究领域涉及金属中的相变、高温金属材料、汽车高强钢、金属氧化、空冷贝氏体钢、非晶合金等。先后承担了国家973计划项目、国家863计划项目、国家ITER计划专项、国家自然科学基金项目等科研项目，获得国家自然科学二等奖等多项科技成果奖励。
钢铁研究总院刘正东团队主要从事军用和民用耐热材料的设计、研究开发和技术服务工作，涉及航空、航天、核动力、舰船等军工领域，以及能源、石化、交通和冶金等民用领域。钢种包括低合金耐热钢、合金耐热钢、不锈耐热钢和铁镍基高温合金等。对不同类型的耐热材料均有深入的研究，并在合金设计、锻（轧）过程组织和性能调控与预报、钢铁材料数据库、材料加工过程有限元模拟仿真等方面积累了丰富的经验。提出并发展了耐热钢的“多元素复合强化”理论，在国内外产生了深远的影响。
团队在该领域的工作成果汇总
本团队自主研发可用于630℃至650℃的G115耐热钢，并完成对其显微组织分析（Materials Science & Engineering A 588 (2013) 22–28）和热处理工艺设计（Materials Science & Engineering A 597 (2014) 148–156；Materials and Design 54 (2014) 874–879），并针对W元素对高温时效过程（Materials Science & Engineering A 729 (2018) 161–169）和蠕变过程（Materials Characterization 149 (2019) 95–104）的组织和性能演化展开研究。钢铁研究总院刘正东团队与宝钢集团有限公司合作共同实现G115耐热钢的工程化，2017年12月通过市场准入评审后，G115®钢成为目前世界上唯一可用于630℃超超临界燃煤电站大口径厚壁管制造的候选钢种。
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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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