高等级马氏体耐热钢接头细晶区Laves析出行为及对Ⅳ型裂纹影响的研究

Ⅳ型裂纹是近年来高等级马氏体耐热钢应用中备受关注的问题，严重威胁着超超临界发电机组的安全，有关其形成的冶金学原因尚不清楚。申请者在前期工作基础上，提出接头细晶区与母材Laves析出行为的差异对Ⅳ型裂纹有重要影响的观点，以P92钢为对象，研究细晶区Laves析出位置、析出动力学、粗化动力学，Laves粗化与蠕变孔洞的关系，分析Laves影响细晶区蠕变性能劣化及Ⅳ型裂纹的微观机制，并用连续损伤力学方法对其演变的影响进行定量评价。通过上述研究，深刻揭示Laves析出对Ⅳ型裂纹的重要影响，进一步阐明裂纹形成的冶金学机理，为Ⅳ型裂纹的防止提供理论依据。

项目研究了P92钢细晶区析出Laves相对Ⅳ型裂纹的影响。主要内容包括模拟细晶区试样的制备、Laves析出位置、析出动力学、粗化动力学，Laves粗化与蠕变孔洞的关系，用物理本质连续损伤力学模型评价Laves演化对细晶区蠕变抗力及Ⅳ型裂纹的影响程度。. 采用SEM-BSE技术观察到Laves相在原始奥氏体晶界析出，并对Laves相特征参数进行了定量，建立了Laves相析出动力学和粗化动力学方程。研究发现923K时效时细晶区和母材Laves相全部析出的面积分数均接近于1.0%，细晶区Laves相析出饱和的时间比母材快500h。细晶区Laves相析出速度快是由于晶界增多提供了更多的析出场地。细晶区Laves相开始粗化时间较母材提前1000h，粗化速度也快于母材，原因在于元素晶界扩散作用的增强。电化学萃取分析表明，Laves相析出造成基体W、Mo 溶质原子的明显贫化，基体溶质原子的分配系数由析出前的86%降至46%左右。. 发现Ⅳ型裂纹是一种晶界蠕变孔洞聚集型开裂，Laves相为孔洞形核提供了场地。Laves数量和尺寸与孔洞数量有良好的对应关系，在923K/100MPa下，细晶区形成孔洞时的Laves平均直径约为250nm。有限元计算表明在200-400nm范围内，Laves尺寸增大明显增加Laves/基体界面附近的当量应变，促进孔洞的形核。细晶区基体的软化也显著增大界面基体侧的当量应变，有利于孔洞的形成。计算得到923K/100MPa下界面形成孔洞的临界微观应变约为0.052。应用Orowan理论和Dyson物理本质连续损伤力学方程计算评价了Laves相对细晶区蠕变抗力的影响。在时效初期，Laves相对细晶区有一定的沉淀强化作用，补偿了溶质贫化造成的固溶硬化损失。但是Laves相粗化后，沉淀强化作用迅速降低。采用Dyson模型计算了粒子粗化、位错回复和溶质原子损耗对细晶区蠕变抗力的影响，与实验结果吻合良好。为了避免Ⅳ型断裂，应防止细晶区基体软化和Laves相的快速粗化，抑制晶界蠕变孔洞的形成。. 研究成果深刻揭示出Laves相对Ⅳ型断裂的重要影响，确定了形成裂纹的主要冶金学因素，有助于Ⅳ型断裂的根本解决，并为下一代高等级马氏体耐热钢的研制提供了重要依据。.