奥氏体耐热钢应变诱导析出分布模型的研究与应用

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耐热钢作为火电、核电、化工等领域服役于高温条件下的关键材料,其服役性能备受人们关注,耐热钢中存在大量的合金元素,在其服役过程中往往伴随着较多种类与数量的第二相颗粒析出,而这些析出相对耐热钢热强性、韧性、组织稳定性及抗高温氧化腐蚀等性能具有重要影响。比如:应变使基体产生大量位错,对于第二相颗粒析出有促进作用,有益于提升耐热钢构件高温强度。人们往往通过时效、蠕变等实验方法尽可能贴近服役情况探究耐热钢的析出行为以及力学性能,而高温构件的服役时间较长,这种方式对于研究应变对耐热钢析出行为影响以及新钢种的开发造成较大的困难。随着近些年计算机模拟计算在材料研究方面不断的进步,其简便高效的优势对于耐热钢中析出相种类较多以及析出规律特征较为复杂的情况提供一种可行的方式,利用耐热钢服役过程析出模拟问题的特殊性,针对贴近实际析出过程中溶质元素分布不均匀的情况下析出行为,选用较为灵活蒙特卡洛法进行模拟。因此,本文通过析出相热力学与动力学建立耐热钢应变诱导析出分布模型,以解决耐热钢应变对析出影响研究。本文基于奥氏体耐热钢中三种常见的析出相(MX相、M23C6相、σ相)作为研究对象,通过Johnson-Mehl-Avrami方程、LSW理论以及D-S应变诱导平均尺寸模型基础上结合蒙特卡洛法(Monte Carlo)建立耐热钢应变诱导析出颗粒尺寸分布模型,并通过固溶态Sanicro25钢为例探究三种析出相尺寸、数量、体积分数和尺寸分布随时效时间变化规律,并且研究应变、温度和临界晶胚形状等参数对其析出相析出特征的影响。对固溶态Sanicro25耐热钢未变形与45%冷变形后样品进行700℃时效不同时间热处理,并对其进行电化学萃取,将萃取溶液和粉末分别进行纳米粒度测试与XRD测试,对模型结果进行验证。研究结果表明,提升时效温度通过影响溶质元素扩散速率,导致析出相形核率和生长率较高,因此相比时效温度低的条件下在相同时效时间下析出进程加快,析出体积分数、析出相尺寸分布范围和颗粒平均尺寸的值均较大,析出相颗粒数量较小。通过应变增加组织中的位错密度,使得析出相整体尺寸较小,尺寸范围更窄,析出颗粒数量有较大的提升,在相同时效时间下析出体积分数更大,应变对MX相的尺寸影响较小,尺寸稳定在较小的范围,但对M23C6相和σ相的尺寸影响较大,并且通过变形与未变形的Sanicro25钢析出相萃取实验发现应变对σ相析出存在促进作用,也证实了应变诱导析出使得第二相颗粒尺寸较小的行为,验证模型结果与实验结果较为一致。萃取颗粒粒度分析实验结果与模拟曲线有良好的一致性。本文的研究对深入了解耐热钢时效过程第二相析出长大规律和机理提供模型模拟技术。
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