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1、学校代码： 10128学 号：201000412005 本科科研训练论文（题 目：HR3C钢与T91钢的焊接和其焊接接头力学性能姓 名：白 七 宝学 院：材料科学与工程系 别：材料成型及控制工程专 业：焊接技术与工程班 级：焊民10指导教师：董俊慧 教授二 一 四 年 十 二 月目录引言11 HR3C钢21.1 HR3C钢简介22 P91钢42.1 P91钢的简介42.2 P91钢的焊接性83 HR3C钢与T91钢的焊接接头力学性能103.1 HR3C 与T91 异种钢的焊接性分析103.2 HR3C 与T91 异种钢的焊接接头力学性能分析11参考文献14引言 在超超临界火电机组中。一些新型奥
2、氏体耐热钢管，如Super304H、HR3C等用于锅炉受热面管的高温段，在过渡部位与四l、T92等马氏体钢管连接，形成了较多的马氏体奥氏体(MA)类异种钢接头有关这类异种钢接头性能及失效行式研究较少。本文对某机组T91HR3C异种钢接头进行了分析。异种钢焊接概述及其焊接特点：两种牌号不同的钢之间的焊接称之为异种钢焊接，它是属于异种金属焊接中应用最为广泛的一类接头。对于异种钢焊接接头又可分为两种情况，第一类为同类异种钢组成的接头，这类接头的两侧母材虽然化学成分不同，但都属于铁素体类钢或都属于奥氏体类钢；第二类接头为异类异种钢组成，即接头两侧的母材不属于同一类钢，例如一侧为铁素体类钢，另一侧为奥氏
3、体类钢(如奥氏体不锈钢)。对于母材都属于铁素体类钢，其焊缝采用奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条焊接的接头，也属于第二类接头。 由于异种钢接头两侧的母材无论从化学成分上还是物理、化学性能上都存在着差异，因此，焊接时，要比同一种钢自身之间的焊接要复杂得多。1 HR3C钢1.1 HR3C钢简介 HR3C钢主要用于超超临界机组锅炉高温段受热面管子。HR3C钢是日本住友公司在TP310基础上通过复合添加Nb,N合金元素研制出来的一种新型奥氏体耐热钢。利用钢中析出微细的CrNb化合物和Nb的碳氮化合物以及M32C6来对钢进行强化，使钢具有较高的高温强度，综合性能较其他TP300系列奥氏体耐热钢优良。由于铬含量高
4、，因此HR3C钢的抗氧化和抗高温腐蚀性能优于18-8型耐热钢，与具有相同含量的310耐热钢类似，是超超临界参数锅炉和高硫燃煤锅炉的首选材料之一。超超临界锅炉的过热器管的工作状况更加恶劣，要求具有更高的抗腐蚀性能的部位，一般选用SA-213TP310H不锈钢。SA-213TP310H不锈钢，高Cr, Ni含量，抗高温腐蚀性能良好，但是其高温蠕变强度不理想，其高温许用应力只等于或小于普通的SA-213TP304H不锈钢。而且普通SA-213TP310H钢还存在相析出后产生的脆性问题。为提高SA-213TP310H钢的高温性能，日本住友公司在对SA-213TP304H研究中发现，在基体中析出的细小的
5、NbCrN氮化物，对TP310H钢强化同样很有效。因此在TP310H不锈钢中添加N、Nb元素开发了HR3C钢。HR3C（25Cr-20Ni-Nb-N）钢与普通的SA-213TP310H钢化学成分区别仅在于添加了0.200.60%的Nb和0.150.35%的N，使新钢种的高温性能却大大提高。其蠕变断裂强度的提高主要是在钢时效过程中析出了NbCrN。NbCrN氮化物非常细小而且特别稳定，即使长时间时效，组织也很稳定，大大提高了蠕变断裂强度。同时加入微量的N对抑制相的形成，改善韧性有效。HR3C钢高温抗腐蚀性能(抗蒸汽氧化性能)良好，其许用应力比普通的SA-213TP310H钢有很大提高。1.2 H
6、R3C钢的焊接性 20世纪40年代以后，人们从经验教训中认识到，韧度是反映材料抵抗脆性破坏的力学性能指标。对结构用钢材来说，除了要有足够的强度外，还应该具有充分的塑性和韧度。尽管设计时采用的仍然是强度准则，但对于重要结构，还必须考核使用于该结构的材料的韧度。对于s350MPa 的材料，最初要求在使用温度下的V形缺口夏比冲击功不得低于20.3J。但是后来又发现，20.3J这个界限不能适用于所有强度等级的钢和不同的结构。随着材料强度的提高，由于冲击功中弹性功的比例增大，对遏止脆性破坏起重要作用的塑性变形功和撕裂功必然减小，因此必须要求材料在强度提高的同时，其韧度也有相应的提高。此外，除了强度等级外
7、，在设计时还需要根据结构重要性的增加和结构尺寸的增大与增厚，对材料的韧度要求作相应地提高。可是传统工艺生产的钢，往往随着材料强度的提高， 材料的塑性和韧度总是有所降低的。于是在1960年前后提出了发展高强度高韧度的强韧化结构钢的要求。经过十多年的努力，冶金工作者成功地开发出了一系列适用于450以下工作的结构用高强度钢材和0以下低温工作构件用的高强度钢材。这些材料不仅强度高，而且韧度也被大幅度地提高。它们已经成功地在相应的领域中使用，取得了很好的效益。管线钢X60、X70就是一个突出的例子，通常把这一类钢称为强韧化。火力发电厂锅炉用铁素体耐热钢的发展大致经历了类似认识过程。 蒸汽温度为650、压
8、力为34MPa的300MW机组早在1960年2月就已在美国Philadelphia电力公司开始商业运行。高的蒸汽参数获得了很高的热效率，但这是以大量使用高Ni、Cr合金的奥氏体材料为代价的。该机组的主蒸汽管道和联箱都采用了AISI316钢，其尺寸分别为508184.15mm和228.6X 63.5mm。虽然Ni-Cr奥氏体材料的高温强度稳定，可是由于具有导热差、线胀系数大、热应力大以及对应力腐蚀敏感等缺点，机组运行不到20年，该机组的主蒸汽管道和联箱出现许多裂纹而泄漏。其中直径较小、壁厚较薄的集箱仅在运行2.5万小时、启停77次后内表面就开始开裂，不得不在20世纪80年代初就大量更换管道。可见
9、，采用奥氏体钢做大厚壁大直径构件的设计是不成功的。这就是为什么在没有出现相应的铁素体耐热钢以前，再也没有更多家电力公司来效仿制造这样参数的机组的缘故。 1960年以后，许多国家都投入了很大的人力和物力研究和开发能够在蒸汽温 度小于等于600的条件下工作的铁素体耐热钢。长期以来，对用于高温承压部件钢管的要求是:(1)足够的高温蠕变断裂强度和持久塑性。(2)良好的高温组织稳定性。(3)良好的高温抗氧化性。(4)良好的加工工艺性。而对常温韧性没有明确要求。在这种观念下，研究和开发电站用铁素体耐热钢的工作大多都是沿着固溶强化、析出强化、位错强化的思路进行的，研制出的铁素体耐热钢都随着高温强度的提高，而
10、其常温塑性和韧度却明显降低。这样的材料在相当程度上制约了20世纪60年代以后电站锅炉蒸汽参数的发展和提高。在这个时期开发出了一系列高温强度较高的铁素体耐热钢。2 P91钢2.1 P91钢的简介1. T91/P91钢属于改良型的9Cr-1Mo高强度马氏体钢。该钢是由美国橡树岭国家实验室ORNL首先研制的。其中钢管已纳入美国ASTM A213 T91,ASTM A335 O91 和 ASME SA213 T91，ASME SA335 P91标准，板材和锻件已分别纳入 ASME SA387 GR91 和 ASME SA335 标准。我国也研制出该钢种，并纳入 GB 5310-2008 标准。T91
11、代表锅炉用小管子，P91 代表大直径钢管，F91 代表锻钢。2. 该钢是在T9 的基础上，通过降低含碳量，添加合金元素 V Nb ，控制 N 和 Al 含量，使钢不仅具有高的抗氧化性和抗高温蒸汽腐蚀性能，而且还具有良好的冲击韧性和高且稳定持久塑性及热强性能。在使用温度低于620度时，该钢的须用应力高于奥氏体耐热钢，特别是与奥氏体耐热钢的异种钢焊接接头，其热强性能可达到本身同种钢管焊接接头的性能水平。该钢还具有优良的导热系数和较小的线膨胀系数。3. SA213T91/SA335P91钢管以正火+回火处理状态供货，其规范为：正火1050度，空冷；回火760度，空冷。4. T91/P91钢主要用于亚
12、临界，超临界参数锅炉壁温不高于625度的高温过热器和壁温不高于650度的高温再热器受热面管子，以及壁温不高于600度的高温集箱和蒸汽管道；也可用于核电设备热交换器及石油裂化装置炉管等。5. T91钢是美国国立像树岭实验室和美国燃烧工程公司冶金材料实验室合作研制的新型马氏体耐热钢。它是在9Cr1MoV钢的基础上降低含碳量，严格限制硫、磷的含量，添加少量的钒、铌元素进行合金化。6. T91钢中各合金元素分别起到固溶强化、弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗腐蚀性能，具体分析如下。 碳是钢中固溶强化作用最明显的元素，随含碳量的增加，钢的短时强度上升，塑性、韧性下降，对T91这类马氏体钢而言，含碳量的上升会
13、加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性，故耐热钢一般都希望降低含碳量，但含碳太低，钢的强度将降低。T91钢与12Cr1MoV钢相比，含碳量降低20%，这是综合考虑上述因素的影响而决定的。 T91钢中含微量氮，氮的作用体现在两个方面。一方面起固溶强化作用，常温下氮在钢中的溶解度很小，T91钢焊后热影响区在焊接加热和焊后热处理过程中，将先后出现VN的固溶和析出过程：焊接加热时热影响区内已形成的奥氏体组织由于VN的溶入，氮含量增加，此后常温组织中的过饱和程度提高，在随后的焊后热处理中有细小的VN析出，这增加了组织稳定性，提高了热影响区的持久强度值。另一方面，
14、T91钢中还含有少量A1，氮能与其形成A1N，A1N在1 100以上才大量溶入基体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化效果。 加入铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力，含铬量小于5%时，600开始剧烈氧化，而含铬量达5%时就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV钢在580以下具有良好的抗氧化性，腐蚀深度为0.05 mm/a，600时性能开始变差，腐蚀深度为0.13 mm/a。T91含铬量提高到9%左右，使用温度能达到650，主要措施就是使基体中溶有更多的铬。 钒与铌都是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物，有很强的弥散强化效果。 加入钼主要是为了提高钢的热强性，
15、起到固溶强化的作用。7. 热处理工艺 T91的最终热处理为正火+高温回火，正火温度为1040，保温时间不少于10 min，回火温度为730780，保温时间不少于1h，最终热处理后的组织为回火马氏体。8. 机械性能 T91钢的常温抗拉强度585 MPa，常温屈服强度415 MPa，硬度250 HB，伸长率(50 mm标距的标准圆形试样)20%，许用应力值650=30 MPa。9. 焊接性能 按照国际焊接学会推荐的碳当量公式算得T91的碳当量为 2.17%10. 热影响区淬硬组织的产生 T91的临界冷却速度低，奥氏体稳定性很大，冷却时不易发生正常的珠光体转变，从而冷却到较低温度时发生了马氏体转变。正由于此，T91的淬硬和冷裂倾向很大。11. T91钢的连续冷却曲线 由于热影响区的各种组织具有不同的密度、膨胀系数和不同的晶格形式，在加热和冷却过程中必然会伴有不同的体积膨胀和收缩；另一方面，由于焊接加热具有不均匀和温度高的特点，故而T91焊接接头内部应力很大。对于T91，奥氏体十分稳定，要冷却到较低温度(约400)才能变为马氏体。粗大的马氏体
