固态相变工程实例介绍课件.ppt

1、固态相变工程实例介绍I.轧机支承辊热处理相变组织II.汽轮机低压转子组织与冷速的关系III.锅炉管道爆裂原因分析合金固态相变工程实例一合金固态相变工程实例一:轧机支承辊热处理相变组织3轧机是实现金属轧制过程的设备。支承辊为轧机上的重要部件，为轴类锻件.冷热连轧机支承辊直径通常在12501630mm,辊身长度14002300mm,锻件直径较大,锻件重2070t,所用钢锭在69119t支承辊支承辊4支承辊支承辊典型支承辊典型支承辊51.1.基本要求基本要求：表面硬度高/耐磨、心部硬度低/韧性好2.性能要求性能要求 辊身表面硬度HS623，辊颈硬度HS433，淬硬层深度75 mm3.3.典型材质：典

2、型材质：45Cr4NiMoV(Cr4)4.加工流程加工流程真空铸锭(VT)水压机锻造锻后热处理粗加工调质半精加工差温加热喷雾回火精加工包装、发运61.锻后热处理：正火，球化退火，回火利于切削加工2.预备热处理：调质（950，15h油淬+回火）保证辊颈硬度和综合力学性能支承辊的热处理支承辊的热处理预备热处理曲线预备热处理曲线3.最终热处理：火焰表面加热970,2h 喷雾冷却+560，48h回火满足表面组织性能要求CCT图图7 Cr4钢静态CCT图1101001000100000300600900Ac3=843Ac1=809 1#3#4#5#6#7#温度()时 间(s)MsPB辊身喷淬+回火初期相

3、变模拟中冷速对组织的影响相变模拟中冷速对组织的影响8冷却速率冷却速率/s0.010.050.10.250.370.512组织组织GB(极少量F+P)UBLB1（极少量LB2、M）LB2（少量LB1、M）LB2、M（少量LB1）LB2、MMM0.10.250.010.3720.51GB(极少量F+P）0.05LB1(极少量LB2、M)LB2(少量LB1、M)LB2、M(少量LB1)LB2、MMMUB实际工程上支承辊硬度分布图实际工程上支承辊硬度分布图P15P151.4m C41.4m C4断裂支承辊实验分析断裂支承辊实验分析1#2#3#4#80mm50mm200mm300mm表面表面 （区）区）

4、试样试样 1 2近表面近表面（区）区）试样试样 3 4内部内部 （区）区）试样试样 5 8心部心部 （区）区）试样试样 9 10u1 2硬度很高，硬度缓慢下降，对应图中深灰色区域；u2 4硬度开始陡降，并降至最低点，对应图中浅灰色区域；u4 8硬度逐渐升高，对应图中白亮区域；u8 10硬度趋于平稳，对应图中暗白色区域。低倍试样支承辊组织和硬度分布示意图支承辊组织和硬度分布示意图淬火区淬火区 温度Ac3以上，完全奥氏体化，表面喷淬，升成淬硬层。两相区两相区 温度在Ac3-Ac1，部分发生转变，生成混合组织。二次回火区二次回火区 温度在Ac1-原调质回火温度，发生回火，区间大小决定于温度梯度和原调

5、质回火温度。调质回火区调质回火区 温度低于原调质回火温度，组织性能基本没有变化。淬火区淬火区两相区两相区二次回火区二次回火区调质回火区调质回火区淬硬层淬硬层Ac3Ac1温度温度/距离距离硬硬 度度回火硬度回火硬度1.4m C41.4m C4断裂支承辊实验分析断裂支承辊实验分析P32P3211距辊面080mm内显微组织形貌,内部内部(区区-淬硬区淬硬区)组织观察组织观察淬硬层中主要为下贝氏体回火组织，最靠近辊面区域的显微组织形态呈典型的下贝氏体针，同时还发现有极少量的残余奥氏体12内部内部(区区-两相区两相区)组织观察组织观察 距辊面81130mm内显微组织形貌在距辊面81130mm的次表淬硬层

6、中，下贝氏体针状特征已经弱化，有向上贝氏体形态转化的趋势，屈氏体组织形态开始逐渐出现内部内部(区区-二次回火区二次回火区)组织观察组织观察1.4m C41.4m C4断裂支承辊实验分析断裂支承辊实验分析P23P237568 从金相组织上来看，58号试样中片状珠光体逐渐增多，并且体积变大。从扫描电镜下观察，片珠光体内的片层结构逐渐清晰，并且珠光体呈现出团簇的形貌特征。内部内部(区区-二次回火区二次回火区)组织观察组织观察1.4m C41.4m C4断裂支承辊实验分析断裂支承辊实验分析P22P22 从金相组织上来看，58号试样中针状组织逐渐减少，大小没有规律性变化。从扫描电镜下观察，针状组织内部变

7、化不明显，但周围粒状组织逐渐增多，两者界限变得平滑。7568心部心部(区区调质回火区调质回火区)组织观察组织观察1.4m C41.4m C4断裂支承辊实验分析断裂支承辊实验分析P27P27 从金相组织上来看，珠光体周围被白亮的组织紧密的包围着。从扫描电镜下观察，珠光体周围分布着颗粒状的组织，但相邻的颗粒状组织之间空隙很大，非偏析处的颗粒状组织很少。偏析处偏析处非偏析处非偏析处小 结 支承辊经历不同热处理可以满足工艺过程及使用性能的不同要求 工程上轧辊油冷处理后按照硬度和组织可以分为表面、近表面、内部和心部四个区域；整体上从内外到内组织按照下贝氏体、上贝氏体、屈氏体、珠光体的组织过渡16汽轮机低

8、压转子组织与冷速的关系合金固态相变工程合金固态相变工程实例二实例二:汽轮机转子 汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。主要用作发电用的原动机。转子是汽轮机的重要构件，汽轮机低压转子要在15003000r/min高速旋转下，高温（350565）下长期工作，需承受巨大的离心力、扭矩和弯曲应力，还要承受因旋转震动引起的附加应力，开机停机及其他原因造成的瞬时冲击振动和扭应力。需要具备良好的工艺性能、组织均匀性、强韧性、低的脆性转变温度及好的综合力学性能。18汽轮机转子热处理的重要性 大型汽轮机低压转子锻件是由数百吨的钢锭直接锻造而成，锻件的热处理过程必须考虑冶炼、铸锭、锻造过程对大锻件内

9、部质量的影响，如化学成分不均匀、冶金缺陷、晶粒粗大（包括混晶）、较多的气体如氢气，较大的锻造应力和热处理应力等；转子大锻件的热处理过程非常复杂且工艺周期长；低压转子锻件的热处理分为锻后热处理锻后热处理和最终热处最终热处理理两个阶段19低压转子用钢 典型：Cr-Ni-Mo 34CrNi3Mo 30Cr2Ni4MoV Cr,Mo可以显著提高铁素体热强性，Mo可减小回火脆性 Ni 提高淬透性，强韧性，抑制晶粒长大主要化学成分：碳 C：0.300.40硅 Si：0.170.37锰 Mn：0.500.80铬 Cr：0.701.10镍 Ni：2.753.25钼 Mo：0.250.4034CrNi3Mo热处

10、理工艺曲线I.I.锻后热处理锻后热处理 锻后热处理的目的是消除锻造应力、降低锻件的表面硬度、提高切削加工性能；防止和消除白点；提高化学成分均匀性，切断组织遗传，细化钢的奥氏体晶粒，调整组织均匀性。采取多次正火（或退火），保证获得细小珠光体，提高韧性，除氢。奥氏体化温度：10301050，温度高为了使锻后碳化物充分溶入奥氏体中。(1)油淬与间隙冷却(水淬油冷)对含碳量较高的发电机转子，如34CrNi3Mo，淬火冷却一般采用油淬。经回火后可达中等综合力学性能要求。但对截面较大，强度韧性要求较高的转子锻件，如200MW低压转子，油淬往往达不到性能要求，常采用水淬油冷，并且加长水淬后的油冷时间，即采用

11、深冷油淬，使心部充分转变以获得较多下贝氏体，降低心部脆性转变温度。II.II.最终热处理最终热处理(2)水淬 水淬的冷却能力最强，可大大提高转子心部的冷却,使转子不仅表面获得马氏体和下贝氏体组织，并且心部也可得到下贝氏体组织或下贝氏体加少量上贝氏体组织，大大提高转子锻件的综合力学性能。但由于水淬冷却速度过快，产生很大的热应力，加之相变产生的组织应力，很容易使转子锻件开裂。近年来，大锻件用钢的含碳量降低，配合真空铸造的应用和锻造工艺的改进，大锻件冶金质量大大提高，缺陷不断减少，淬火时可以承受较大的内应力而不产生裂纹，这就为水淬等激冷淬火创造了条件。II.II.最终最终热处理热处理(3)喷水淬火

12、对于棍身直径达中1850mm，长约3900mm的300MW大型低压转子锻件，普通水淬已不能满足要求。一重建成大型立式喷淬设备，对转子进行大喷水量激冷、深冷淬火，通过喷淬处理，该300MW低压转子心部得到下贝氏体组织。喷水淬火冷却速度可以调整，转子轴身和轴颈尺寸不同，可调整不同部位的喷水量，轴颈部位尺寸小喷水量减少，轴身尺寸大喷水量加大，这样可以形成各部基本一致的冷却速度，避免了轴颈轴身因冷却速度不同导致性能差异过大，使转子各部位性能均匀一致。II.II.最终热处理最终热处理实例：冷速对转子热处理效果的影响25风冷50/min的微观组织500X贝氏体+少量马氏体，马氏体板条、贝氏体显针状、细小均

13、匀风冷25/min的微观组织27贝氏体+很少量马氏体，贝氏体细小、均匀风冷12/min的微观组织上贝氏体+粒贝氏体+下贝氏体风冷5/min的微观组织上贝氏体+粒贝氏体，贝氏体铁素体板条宽大，碳化物分布不均匀风冷3/min的微观组织上贝氏体+少量铁素体（+少量细珠光体），贝氏体铁素体板条宽大，碳化物分布不均匀冷速与金相组织 502512753力学性能冷却速度对冲击功的影响合格线（合格线（24J）冷却速度对拉伸性能的影响金相组织与冲击功 502512753小 结1、冷速影响转子材料的微观组织：冷速越大，形成的贝氏体组织越细小均匀；冷速不够，则形成粗大上贝氏体+粒状贝氏体，甚至是铁素体或珠光体。2、

14、转子材料的微观组织，即贝氏体铁素体的大小及碳化物的形态和分布决定了材料的冲击性能。但是贝氏体组织对屈服强度、抗拉强度的大小影响不显著。3、不同要求的转子性能必须配合相应的热处理合金固态相变工程实例三合金固态相变工程实例三:锅炉输气管爆裂原因分析 某企业使用的锅炉输气导管，材料为12Cr1MoV钢，输气管内所通气体规定控制在400以下，预期寿命为1年，实际在更换新管使用不到一周后爆裂，断口位于弯管内侧，呈轴向分布，断口附近产生明显塑性变形，管壁变薄，断口表面被一层氧化物覆盖。要求：通过实验分析找出输气管爆裂的原因。背景介绍背景介绍分析思路分析思路 资料搜集 可能原因剖析 实验方案制定 实验 分析

15、报告锅炉是为工矿企业提供蒸汽或热水，以满足生产工艺、动力以及采暖等需要的设备。锅炉压力容器中最常见的碳素钢和低合金结构钢,如Q235、20、20G、Q245R、Q345R、15CrMoG、12Cr1MoVG这些材料长期在高温下工作，组织结构会发生变化，从而使用性能降低。主要会发生珠光体球化和碳化物聚集、石墨化等，在使用一定时间后，要进行现场金相检验。关于工业锅炉关于工业锅炉12Cr1MoV钢钢具有高的抗氧化性及热强性，蠕变 极限与持久强度值很接近，并在持久拉伸的情况下具有高的塑性，工艺性与焊接性良好。主要在正火及高温回火后使用，用以制造高压设备中工作温度不超过570585的过热钢管、导管、蛇形

16、管及其它相应的锻件。化学成分：化学成分：C：0.080.15 Si：0.170.37 Mn：0.400.70 Cr：0.901.2Mo：0.250.35 V：0.150.30 化学成分分析 宏观断口形貌分析 金相组织分析 力学性能分析 可以开展的分析可以开展的分析成分分析元元 素素CSiMnP理论值（理论值（%）0.08-0.150.17-0.370.40-0.700.030实际值（实际值（%）0.140.320.460.009元元 素素SCrMoV理论值（理论值（%）0.0300.90-1.20.25-0.350.15-0.30实际值（实际值（%）0.0170.980.250.25断口形貌分

17、析 输气管断口位于弯头内侧，呈现轴向分布。断口呈喇叭口型，附近产生明显塑性变形，管壁变薄，断口表面被很厚的氧化物覆盖。金相组织分析结果钢管远离断口处正常组织（珠光体钢管远离断口处正常组织（珠光体+铁素体）铁素体）钢管断口处异常组织（铁素体钢管断口处异常组织（铁素体+分布于晶界的碳化物）分布于晶界的碳化物）天津石化热电厂12Cr1MoVG导汽管540使用10万小时后金相组织分析结果显微硬度分析测量次数1234平均值远离断口处（HV)148.0146.4147.2148.1147.4断口处（HV)157.1158.7158.4158.1158.1输气管显微维氏硬度（载荷300g）失效原因初步结论 综上分析，该输气管化学成分无异常，断口呈现明显塑性变形，同时金相组织及力学性能发生明显变化，可基本判断为输气管实际使用温度高于正常使用温度（400），致使输气管中起强化作用的珠光体相发生分解，部分碳化物溶入铁素体中引起其显微硬度的增加，同时在晶界处有碳化物颗粒析出，在高压热蒸汽的作用下，使其发生突然爆裂。建议：严格监控输气管中高压蒸汽的温度，使其在合理的范围内波动。固态相变是解决工程实际问题的重要理论基础，工程问题复杂多变，需要通过理论与实际的密切结合，以分析、指导、解决、优化工程课题。结 语