离心铸造20Cr33NiNb耐热奥氏体不锈钢的抗蠕变性能研究文献综述

文献综述

不锈钢根据合金元素与显微组织的不同，可以分为[1]：低碳有磁性的400系列铁素体不锈钢；可通过热处理强化的400系列马氏体不锈钢；200系列和300系列的奥氏体不锈钢，特点是无磁性，可以通过冷加工强化；沉淀硬化不锈钢，可以通过时效热处理使得钢产生沉淀强化；对于双相不锈钢，其耐蚀性比奥氏体不锈钢高，与纯铁素体不锈钢相比，它的韧性好[2]。按照金相组织的不同，可以将普通不锈钢分为三类[3]：第一类为铁素体型不锈钢(属于体心立方结构)，第二类为奥氏体型不锈钢(属于面心立方结构)，第三类为马氏体型不锈钢(属于体心正方或立方结构)[4]。

在所有的不锈钢中，奥氏体不锈钢因为具有良好的耐腐蚀性能以及综合力学性能以及优异的成型工艺性，在石油、化工、核电等行业中应用最为广泛。这类钢是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢，钢中含Cr约18%、Ni8%~10%、C约0.1%时，在室温条件下具有稳定的奥氏体组织。由于奥氏体不锈钢含有较高的铬和镍，可形成致密的氧化膜，且热强性高，故奥氏体不锈钢比其它钢具有更优良的耐蚀性、塑性、高温性能和焊接性，因此，奥氏体不锈钢在工业行业中很多领域都得到了日益广泛的应用[5]。

与其它各类不锈钢相比，奥氏体不锈钢有着较好的焊接性能，对氢脆敏感性较低，可以用多种焊接方法很好地对工件进行焊接或是补焊。但是，在焊接接头及其附近的母材，也常发生刀口腐蚀、点蚀、应力腐蚀破裂、晶间腐蚀，因此奥氏体不锈钢的焊接问题还是非常重要的[6]。与马氏体不锈钢相比，奥氏体不锈钢的铸造性较好，这类钢中的18-8型钢的铸造收缩率一般为2%-2.5%。若奥氏体不锈钢中含钛，其容易使铸件产生例如夹杂、冷隔等铸造缺陷，因此在铸造时，应该选择干型烘烤炉料，并严格控制浇注温度和出钢温度等防护措施[7]。在有机酸和一些还原性酸中[8]，含有铝元素的奥氏体不锈钢都具有优良的耐蚀性能，尤其是含铝、铜、硅的奥氏体不锈钢在硫酸介质中，更是有极好的耐蚀性，例如：0Cr23Ni28Mo3Cu3Ti,ZGICr24Ni20MoZCu3钢等，这些钢被广泛的用于制备化学工业应用中接触硫酸的通用机械设备，比如泵、阀门等关键设备[9-12]。

随着石油、化工、冶金、能源等现代工业的发展，需要在高温高压或高温高压含腐蚀介质环境下工作的设备和构件越来越多，随着服役时间的延长，将会使得原来在室温下具有稳定显微组织结构的耐热钢可能发生变化，进而引起性能的变化，导致材质的劣化，甚至造成设备的破坏[13-16]。在高温无其他腐蚀介质条件下，用于建造设备和构件耐热钢的损伤主要是蠕变和组织变化。因此，对高温环境下服役多年耐热钢的损伤研究是十分重要和必要的[17]。

在外部负荷和高温的共同作用下，金属材料随时间推移而产生的塑性变形，即蠕变。通常，当金属材料的使用温度与熔点满足以下条件时：T使用〉(0.25-0.35)T熔，金属材料便会在受到外力时产生蠕变。随着温度的升高，蠕变速率会越来越快，蠕变变形也会越来越明显。通常所说的高温是指温度高于0.4T熔；如果设备在温度高于0.4T熔的环境中长期服役，那么蠕变将是造成其失效的主要原因之一[18]。当蠕变量累积到一定程度时就会导致蠕变断裂。蠕变断裂是与时间有关的一种延迟破坏，是一种独立的断裂机制。

蠕变一般可分为三个阶段[19]，典型蠕变曲线如图1所示。第一阶段蠕变速度逐步减小，为蠕变减速阶段（如图1中曲线ab段所示）；第二阶段蠕变速度恒定且最小，为蠕变稳定阶段或最小蠕变速度阶段（如图1中曲线bc段所示）；第三阶段蠕变速度逐渐增加，直到断裂，为蠕变加速阶段（如图1中曲线cd段所示）。金属材料在蠕变过程中发生的组织和性能的劣化称为蠕变损伤。蠕变损伤在宏观上体现为设备或管道的胀粗、开裂，在微观上体现为蠕变孔洞的形核、长大、连接，甚至发生成蠕变微裂纹，蠕变微裂纹逐渐长大并相互连接形成宏观裂纹，宏观裂纹的扩展最终导致设备或管道的宏观开裂。所以，经历了蠕变第三阶段后的金属，将会发生蠕变断裂。蠕变断裂有晶间断裂和晶内断裂两种形式，前者属于脆性断裂，后者属于韧性断裂[20-23]。

图1蠕变曲线图

在高温构件的生产制造过程中，如铸造、弯曲、焊接等制造工艺，以及运行过程中的负载及温度梯度均会导致在构件当中不可避免的产生残余应力，从而降低高温构件的承载能力及断裂韧性。当高温构件在残余应力以及外加负载共同作用下运行时，会在裂纹尖端形成一个有残余应力及外加载荷共同作用下的应力场分布，而且这种复杂的力场分布将导致断裂力学参量如K、净截面应力σnet等发生改变，从而影响高温构件的安全评定。当裂纹尖端的残余应力为拉伸应力分布时，将会提高早期的蠕变裂纹扩展速率，相反裂纹尖端的残余应力为压缩应力分布时，将会阻碍早期的蠕变裂纹扩展速率。此外残余应力的产生过程以及构件高温运行时蠕变松弛现象，也会加剧裂纹尖端的损伤。为了研究残余应力对蠕变裂纹的扩展作用，需要通过蠕变裂纹扩展试验，有限元模拟，以及残余应力的测定三种方法结合使用来研究其效果[24-26]。

目前耐热奥氏体不锈钢已经有了广泛的应用，尽管有关此类钢在高温下蠕变孔洞的形成及蠕变裂纹的特点等资料报道较多，但针对离心铸造20Cr33NiNb耐热奥氏体不锈钢在高温下蠕变孔洞形成及蠕变裂纹发展进行研究的报道较少，因此，需要对此类钢在高温条件下的蠕变特性进行研究。

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