辛 甜, 劉新寶, 朱 麟, 潘成飛

(西北大學(xué) 化工學(xué)院,陜西 西安 710069)

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·化學(xué)與化學(xué)工程·

磁性測(cè)量的高溫蠕變狀態(tài)參數(shù)化表征

辛 甜, 劉新寶, 朱 麟, 潘成飛

(西北大學(xué) 化工學(xué)院,陜西 西安 710069)

為了對(duì)服役構(gòu)件的蠕變損傷進(jìn)行快速準(zhǔn)確評(píng)估,利用磁滯回線檢測(cè)技術(shù),對(duì)9Cr-1Mo鋼在620℃、145MPa條件下的不同蠕變損傷狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)化表征,探討了磁性參數(shù)矯頑力(HC)和剩磁(Mr)隨蠕變時(shí)間的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,對(duì)蠕變損傷試樣進(jìn)行金相觀察,研究了不同蠕變狀態(tài)下9Cr-1Mo鋼的微觀組織演化過程。結(jié)果表明:矯頑力和剩磁與9Cr-1Mo鋼蠕變損傷過程中的位錯(cuò),碳氮化物與析出相的演化有密切的關(guān)系,從而進(jìn)一步說明磁滯回線檢測(cè)技術(shù)在9Cr-1Mo鋼蠕變狀態(tài)及壽命預(yù)測(cè)研究中具有重要意義。

9Cr-1Mo鋼;磁滯回線;矯頑力;剩磁;內(nèi)部組織演化;蠕變壽命

為了節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境,全國(guó)各地開始大量建造超(超)臨界火電機(jī)組[1],通過提高蒸汽參數(shù)來增加發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。9Cr-1Mo鋼因其良好的高溫抗氧化及抗蠕變性能,而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)發(fā)電站的高溫組件。在長(zhǎng)期高溫高壓服役環(huán)境中,構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生蠕變損傷,從而嚴(yán)重影響其服役性能,甚至面臨著突然失效的可能,可見其危害巨大[2-3]。為保證高溫組件在服役過程中的安全運(yùn)行,必須發(fā)展一種能夠準(zhǔn)確評(píng)估電站用鋼損傷狀態(tài)的技術(shù)。

當(dāng)前發(fā)電站組件的評(píng)估技術(shù)主要包括破壞性評(píng)估[4-5]和無損評(píng)估技術(shù)。然而破壞性檢測(cè)難以保證設(shè)備的安全運(yùn)行,而且會(huì)經(jīng)過冗長(zhǎng)的鋼組件檢查程序,浪費(fèi)寶貴的現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)間。因此,利用無損評(píng)估技術(shù)來探測(cè)蠕變損傷的研究是非常必要的。隨著更多鐵磁性鋼在高溫組件中的廣泛應(yīng)用,以磁機(jī)制為基礎(chǔ)的非破壞性損傷檢測(cè)方法可以利用磁特性的優(yōu)勢(shì)得到了良好的發(fā)展。過去10年來,對(duì)微觀組織特點(diǎn)和磁特性之間聯(lián)系的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展,例如:磁滯回線法[6]、巴克豪森噪聲法[7]以及磁記憶法[8]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究相對(duì)較少,美國(guó)IOWA州立大學(xué)無損檢測(cè)中心的D.C.Jiles等人[9]對(duì)磁滯回線檢測(cè)技術(shù)研究較多。該技術(shù)是將鐵磁性材料在磁化過程中磁疇結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與材料蠕變過程中內(nèi)部微觀組織的變化相聯(lián)系,利用磁學(xué)參數(shù)將微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行表征的一種檢測(cè)方法。在磁化過程中,布洛赫壁與晶格缺陷通過磁彈性進(jìn)行相互作用,并且布洛赫壁運(yùn)動(dòng)的阻抗主要來自于固體內(nèi)部缺陷的釘扎作用,例如位錯(cuò)和析出相[10]。Dobmann[11]等研究指出:在應(yīng)力的作用下,晶格缺陷與位錯(cuò)的交互作用阻礙了位錯(cuò)的滑移,從而影響材料的強(qiáng)度。在磁場(chǎng)作用下,磁疇壁與晶體缺陷之間的作用也是類似的,因此材料在蠕變過程中強(qiáng)度的變化也主要取決于磁疇壁的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[12]。

本文旨在對(duì)9Cr-1Mo鋼不同蠕變損傷下的試樣進(jìn)行磁滯回線檢測(cè)和內(nèi)部微觀組織演化分析,研究磁性參數(shù)矯頑力(HC)與剩磁(Mr)隨蠕變時(shí)間的變化關(guān)系。并結(jié)合金相觀察,對(duì)蠕變損傷試樣內(nèi)部的位錯(cuò)、析出相以及晶界等晶格缺陷進(jìn)行參數(shù)化表征,對(duì)正在服役的組件進(jìn)行蠕變損傷狀態(tài)評(píng)估,從而預(yù)測(cè)其剩余壽命。

1 試 驗(yàn)

在620℃，145MPa條件下,以9Cr-1Mo鋼為研究對(duì)象,進(jìn)行單軸高溫蠕變拉伸試驗(yàn),其化學(xué)成分如表1所示。為了研究其在不同蠕變階段的損傷狀態(tài),分別在長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)院研究所研發(fā)的高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)(RDL50)上對(duì)其進(jìn)行蠕變持久試驗(yàn)和蠕變間斷試驗(yàn),得到不同蠕變狀態(tài)下的損傷試樣,如圖1所示。

表1 9Cr-1Mo鋼的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical component of 9Cr-1Mo steel

%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.1 金相試驗(yàn)

將上述得到的損傷試樣切割成尺寸為10mm×10mm×1mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣,進(jìn)行金相觀察,檢測(cè)材料經(jīng)歷不同蠕變時(shí)間的損傷程度。首先將標(biāo)準(zhǔn)試樣鑲嵌在XQ-2B型鑲嵌機(jī)上,分別在晶粒度為#600，#800，#1200以及#1500的水砂紙上進(jìn)行機(jī)械研磨,并經(jīng)過拋光機(jī)將其拋成鏡面,通過苦味酸酒精鹽酸腐蝕液(5mL鹽酸+1g苦味酸+100mL乙醇)腐蝕試樣表面,得到完整的金相觀察試樣,如圖2所示。最后,在Olympus PMG3光學(xué)顯微鏡下對(duì)其進(jìn)行觀察。

圖1 蠕變損傷試樣Fig.1 Creep damage samples

圖2 金相觀察鑲嵌試樣Fig.2 Mosaic sample of metallographic observation experiment

1.2 磁滯回線檢測(cè)試驗(yàn)

將損傷試樣切割成尺寸為φ2mm×2mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣,在Lake Shore 7404型VSM(強(qiáng)磁計(jì))上進(jìn)行檢測(cè),從而得到不同蠕變損傷試樣的矯頑力與剩磁隨蠕變時(shí)間的變化關(guān)系。

圖3 磁滯回線檢測(cè)技術(shù)原理Fig.3 Schematic diagram of Hysteresis loop detection technology

其主要工作原理如圖3(a)所示,由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)通過振動(dòng)子使其振動(dòng)桿做周期性運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)了裝在振動(dòng)桿下部的樣品,發(fā)生相同頻率的振動(dòng)。此時(shí),掃描電源給電磁鐵通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)并將樣品磁化,從而將感應(yīng)線圈中產(chǎn)生的信號(hào)放大并檢測(cè)后反饋給Y軸,而測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的特斯拉計(jì)輸出給X軸。經(jīng)過掃描電源變化一個(gè)周期后,記錄儀將生成磁滯回線,如圖(b)所示。圖中橫坐標(biāo)Hc以及縱坐標(biāo)中Br即為本文所用的磁性參數(shù)矯頑力以及剩磁,其中矯頑力代表了磁性材料抵抗退磁的能力,剩磁表示鐵磁性材料經(jīng)過磁化后,即使去除外加磁場(chǎng),自身仍具有磁性的能力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織分析

為了深入了解蠕變過程中內(nèi)部組織的演化行為,分別選取蠕變第一、二、三階段的損傷試件進(jìn)行了金相觀察,如圖4所示。

圖4 9Cr-1Mo鋼在不同蠕變階段下的金相觀察圖Fig.4 Metallographic observation figure on different creep stage of 9Cr-1Mo steel

圖(a)為9Cr-1Mo鋼原始供貨態(tài)回火馬氏體組織,主要由馬氏體板條塊和板條束組成,其內(nèi)部含有細(xì)小且均勻的晶粒,從圖中可以看到在原奧氏體晶界和晶內(nèi)均彌散分布著一些細(xì)小的碳化物,對(duì)晶體起到釘扎強(qiáng)化的作用。隨著蠕變進(jìn)行到第二階段,在高溫和應(yīng)力的作用下,馬氏體板條界發(fā)生遷移與合并,最終造成馬氏體板條粗化,如圖(b)所示,該階段雖保持了馬氏體板條的形貌,但沿晶界和板條界彌散分布的細(xì)小碳化物開始長(zhǎng)大、粗化[13]。直到蠕變進(jìn)行到第三階段,如圖(c)，(d)所示,原有的馬氏體結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的劣化,板條結(jié)構(gòu)碎化,馬氏體結(jié)構(gòu)分解程度嚴(yán)重[14],碳化物顆粒在晶界處發(fā)生聚集、粗化,使得強(qiáng)化效果降低,導(dǎo)致蠕變性能下降。

2.2 磁檢測(cè)參數(shù)分析

將損傷試樣在Lake Shore 7404型VSM(強(qiáng)磁計(jì))上進(jìn)行檢測(cè),得到620℃，145MPa條件下?lián)p傷試樣的磁滯回線,如圖5所示。

圖5 9Cr-1Mo鋼不同損傷狀態(tài)下的磁滯回線(620℃，145MPa)Fig.5 B-H loop under different creep conditions of 9Cr-1Mo steel (62℃，145MPa)

由于本文所使用的9Cr-1Mo為軟磁材料,因此圖5中的磁滯回線比較狹窄,取其一部分放大后可以看出該圖像即為一個(gè)閉合曲線。通過磁滯回線檢測(cè)得出不同蠕變損傷狀態(tài)下的磁性參數(shù)矯頑力(HC)以及剩磁(Mr)隨蠕變時(shí)間的關(guān)系,如圖6，7所示。

圖6 矯頑力與蠕變時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between coercivity and creep life

圖7 剩磁與蠕變時(shí)間的關(guān)系Fig.7 Relationship between remanence and creep life

在高溫狀態(tài)下,材料中的溶解碳沿晶界擴(kuò)散,導(dǎo)致基體產(chǎn)生更小的應(yīng)變,并且最終耗盡間隙原子中的碳含量,這就是影響材料磁特性的主要原因[15],而在蠕變條件下,這種動(dòng)力學(xué)過程將會(huì)加速進(jìn)行。

蠕變第一階段,溶解碳在向晶界遷移的過程中和原有的碳化物以及其他合金元素相互作用,例如M2C和M3C2(M代表Fe和Cr),改變了碳的成份和形態(tài),形成VC，NbC，VN以及NbN等碳氮化物,從而產(chǎn)生數(shù)量較少但排列廣泛的釘扎中心[15]。這些釘扎中心的出現(xiàn)不僅增加了抗蠕變強(qiáng)度,而且限制了磁疇壁的移動(dòng),矯頑力迅速上升。到達(dá)蠕變第二階段時(shí),碳化物不斷增長(zhǎng)、合并從而形成M23C6相,減少了釘扎中心的數(shù)量,并且釘扎點(diǎn)之間的距離增大,釘扎密度開始減小[16]。因此,隨著蠕變應(yīng)變的積累,矯頑力逐漸降低。直到蠕變第三階段,Laves相(Fe2Mo)等脆性相形成,其體積較大,無法對(duì)疇壁運(yùn)動(dòng)造成釘扎作用,因此矯頑力持續(xù)下降。由于本文中蠕變應(yīng)力較大、服役時(shí)間較短,Z相可能尚未形成,因此不考慮Z相對(duì)蠕變損傷所造成的影響。由于該階段蠕變強(qiáng)度減少,晶界上形成微裂紋使疇壁運(yùn)動(dòng)受到了限制;然而,非磁性物質(zhì)導(dǎo)致了退磁場(chǎng)的產(chǎn)生,使得矯頑力雖持續(xù)下降,但速率較為緩慢。此外,由于退磁場(chǎng)的產(chǎn)生,剩磁在蠕變第三階段持續(xù)下降[17]。

3 結(jié) 論

本文利用磁滯回線檢測(cè)技術(shù),研究了9Cr-1Mo鋼蠕變損傷過程中磁性參數(shù)矯頑力(HC)以及剩磁(Mr)隨蠕變時(shí)間的變化規(guī)律,并結(jié)合金相觀察,對(duì)9Cr-1Mo鋼內(nèi)部微觀組織演化進(jìn)行表征,得到以下結(jié)論:

1)在蠕變初期,在原奧氏體晶界以及晶粒內(nèi)部彌散分布著細(xì)小的碳化物,對(duì)晶界移動(dòng)起到釘扎作用;當(dāng)蠕變進(jìn)行到第二階段,馬氏體板條粗化,沿晶界和板條界彌散分布的細(xì)小碳化物開始長(zhǎng)大;直到第三階段,馬氏體結(jié)構(gòu)分解程度嚴(yán)重,碳化物顆粒在晶界處發(fā)生聚集、粗化,使得強(qiáng)化效果降低,導(dǎo)致蠕變性能下降。

2)結(jié)合9Cr-1Mo鋼內(nèi)部微觀組織演化規(guī)律與磁性檢測(cè)結(jié)果,可以得到:在蠕變第一階段主要受位錯(cuò)影響,矯頑力不斷上升;蠕變第二階段初期,由于細(xì)小強(qiáng)化相(MX相和M23C6相)的彌散強(qiáng)化作用,矯頑力持續(xù)上升;直到蠕變第二階段后期和第三階段,強(qiáng)化相M23C6相持續(xù)長(zhǎng)大,以及脆性相Laves相(Fe2Mo)的產(chǎn)生,使得矯頑力持續(xù)下降。該變化趨勢(shì)表明,磁性參數(shù)(矯頑力和剩磁)作為一種有效的無損檢測(cè)手段,可以用來表征蠕變損傷試件內(nèi)部微觀組織的演化情況,從而進(jìn)一步預(yù)測(cè)蠕變壽命。

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(編 輯 陳鐿文)

Magnetic characterization of creep at elevated temperature

XIN Tian, LIU Xinbao, ZHU Lin, PAN Chengfei

(School of Chemical Engineering, Northwest University, Xi′an 710069， China)

In order to evaluate the creep damage of in-service components, the hysteresis loop measurement technology was used to characterize the creep behavior of 9Cr-1Mo steel under the condition of 620 ℃ under 145MPa. The relation of coercivity (HC) and remanence (Mr) versus creep time was studied in deail. Based on these results, the microstructure evolution of 9Cr-1Mo steel under different creep conditions was observed by optical microscope. The results showed that the coercivity and remanence correlated significantly with the microstructure evolution during creep damage, such as dislocations, carbides and precipitated phases, which further indicated the hysteresis loop measurement technology can provide a potential method to predict the creep states and creep rupture time of 9Cr-1Mo steel.

9Cr-1Mo steel; hysteresis loop; coercivity; remanence; microstructure evolution; creep rupture time

2016-03-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51371142)

辛甜,女,陜西西安人,從事金屬材料與無損檢測(cè)研究。

TG144

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-06-012