20Cr2Ni3钢顶头表面氧化膜断裂行为的数值研究

基于试验数据,利用扩展有限元方法(extended finite element method,XFEM)和内聚力模型(cohesive zone model,CZM),对20Cr2Ni3钢顶头表面氧化膜的断裂行为进行了数值分析,研究了氧化膜受力方向和孔洞对裂纹生长行为的影响。结果表明:氧化膜受力方向影响裂纹扩展路径,外层氧化膜裂纹尖端的J积分和应力强度因子K_I随着θ角(受力方向与氧化膜的夹角)的增大而减小,当θ角增大到90°时裂纹停止生长;外层氧化膜上孔洞使得裂纹尖端的J积分和应力强度因子K_I减小。同时,孔洞的存在使得外力传递到内层氧化膜时产生应力集中和偏移,导致内层裂纹受力不均,减小了受力方向对内层裂纹生长的影响。

18Cr2Ni4W钢的热变形行为及热加工图

在变形温度为850~1200℃,应变速率为0.005~0.5 s^(-1)及真应变为0.8的条件下,采用Gleeble-3800型热模拟试验机对18Cr2Ni4W钢进行热压缩试验,分析其真实应力-应变曲线,基于双曲正弦函数,建立了18Cr2Ni4W钢的热变形本构方程;采用动态材料模型(DMM),建立了18Cr2Ni4W钢在真应变为0.8时的热加工图。结果表明:18Cr2Ni4W钢在热加工过程中发生了动态再结晶,流变应力随着变形温度的升高而降低,随着应变速率的增加而增加;峰值应力随应变速率的降低和变形温度的升高而降低。失稳区主要集中分布于变形温度为860~950℃、应变速率为0.03~0.5 s^(-1)的范围内,其显微组织为沿变形方向拉长的带状组织,并存在局部流动性,对应的功率耗散η值较低,小于0.2;安全区的显微组织是典型动态再结晶组织,功率耗散η值较高,在0.28~0.49之间。在真应变为0.8时,18Cr2Ni4W钢最佳的热加工工艺为:变形温度为975~1050℃、应变速率为0.01~0.14 s^(-1)以及变形温度为1050~1200℃、应变速率为0.01~0.5 s^(-1)。

焊缝填充量对15Cr2Mo1耐热钢焊接修复性能的影响

【目的】15Cr2Mo1钢属于珠光体耐热钢,在电力和石化等领域应用广泛。但是在长期的使用过程中经常会出现某些区域的裂纹等问题。而补焊工艺具有操作难度不高、代价低和复原能力好等优点。该文旨在揭示焊接修补填充量对焊接接头性能的影响。【方法】采用镍基合金焊条对15Cr2Mo1耐热钢进行不同结构类型和不同坡口类型的补焊试验。【结果】研究结果表明,坡口深度为6.5 mm,13 mm和19.5 mm时,补焊接头的补焊区各焊道布置合理且接头各区域均不存在明显缺陷;3种填充量下的补焊区焊缝组织均为奥氏体组织,晶内析出物呈颗粒状;在原始焊缝区和补焊区之间的熔合区发现有宽度约为15μm过渡层,线扫结果表明,大量奥氏体化元素Ni,Cr,Mn进入该区域,使得该区域的淬硬倾向增加。【结论】3种填充量下的补焊接头均能保持较好的强韧匹配。

20Cr2Ni4钢的渗碳工艺试验

20Cr2Ni4钢是一种高Cr、Ni渗碳合金钢,具有良好的淬透性、硬度和心部韧性。采用“渗碳+高温回火+二次加热淬火+低温回火”及“渗碳+直接淬火+冷处理+低温回火”两种工艺对20Cr2Ni4钢进行热处理,并从显微组织、渗层硬度梯度、表面及心部硬度、耐磨性与冲击性能等方面进行对比。结果表明:“渗碳+高温回火+二次加热淬火+低温回火”处理后的试样渗碳效果、表面硬度更好,“渗碳+直接淬火+冷处理+低温回火”处理后的试样则减少了淬火变形与表层氧化脱碳。

预氧化处理对20Cr2Ni4钢渗碳淬火工艺的影响

在渗碳热处理前增加预氧化工序,可以使产品的渗层更趋均匀,并适量提高渗速。本研究在不同预氧化温度和预氧化时间下对20Cr2Ni4钢进行预氧化,再进行“渗碳+直接淬火+冷处理+低温回火”热处理,检测不同工艺下所得试样的显微组织与性能,探究预氧化时间和温度对热处理试样的显微组织、硬度、渗碳层深度及耐磨性等相关性能的影响规律,从而确定最佳预氧化时间及温度。结果表明:预氧化并不会影响试样渗碳淬火后的组织,500℃预氧化60 min后热处理试样的渗碳层不均现象得到改善,其表面硬度、渗碳速度以及耐磨性亦有所提升。

12Cr2Mo1V钢凸台附加填充丝埋弧堆焊工艺研究

针对12Cr2Mo1V钢加氢反应器壳体凸台采用单丝埋弧焊进行堆焊、制造效率低的问题,研究了采用附加填充丝埋弧焊的焊接方法堆焊12Cr2Mo1V材质凸台本体的工艺可行性。研究结果表明,在12Cr2Mo1V钢上采用附加填充丝埋弧焊进行本体堆焊,焊接工艺性良好;其工艺评定试验的各项力学性能完全满足母材的要求,特别是-30℃夏比KV_(2)型缺口冲击试验冲击值均≥54 J,抗回火脆化倾向评定试验结果均满足v Tr54+3Δv Tr54≤0℃的要求。与单丝埋弧堆焊相比,两枪六丝附加填充丝埋弧堆焊凸台可提高生产效率200%~250%。该项工艺研究在满足加钒钢凸台性能的前提条件下,能极大缩短凸台制造周期、节能减排,为加氢反应器先进绿色制造的发展提供了新的制造手段。

12Cr2Mo1锻件带极埋弧堆焊Inconel625工艺研究

为保证12Cr2Mo1锻件带极埋弧堆焊Inconel625质量达到设计文件要求,对锻件基材和Inconel625焊接性能进行了分析,模拟承制产品实际生产状态进行堆焊工艺评定试验,采用周向堆焊和直道堆焊相结合的方法制备评定试件,对堆焊层化学成分、弯曲性能、硬度指标、金相组织、耐腐蚀性能进行了检测。试验结果表明,采用EQ62-50/ES200的焊带/焊剂组合可以获得性能优良的堆焊层。对堆焊层进行腐蚀速率检测,其焊态试样腐蚀速率为1.50 mm/a,固溶态试样腐蚀速率为1.17mm/a,两者之比为1.28,满足JB/T 4756—2006标准规定比值小于或等于1.5的要求。根据评定合格的焊接工艺对热高分气/循环氢换热器管板进行了堆焊,堆焊产品已稳定运行三年,未出现焊接缺陷和腐蚀缺陷。

用65 t模铸锭锻造9Cr2Mo辊轴的研制

采用重达65 t模铸锭,经合理策划冶炼、锻造、热处理工艺,成功研制9Cr2Mo辊轴锻件。冶炼优化浇注过程参数;锻造增加高温扩散,减小偏析,锻造过程压实锻透;热处理调质球化保证回火时间充足。锻件探伤合格,组织和硬度均满足技术要求。

调质态25Cr2Ni3Mo钢的高温拉伸性能和蠕变性能

对25Cr2Ni3Mo钢锻坯进行了850℃油淬和640℃回火。随后检测了钢的的线膨胀量、平均线膨胀系数、高温拉伸性能和低周次高温蠕变性能。结果表明:在20~700℃,随着温度的升高,钢的线膨胀量先增大后降低再增大,平均线膨胀系数先增大后降低,在20~700℃的平均线膨胀系数最大;在250~550℃,随着温度的升高,钢的抗拉强度和屈服强度下降、塑性提高;在250℃以510 MPa的应力蠕变试验的蠕变曲线包含瞬时蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,而在550℃以270 MPa的应力蠕变试验的蠕变曲线仅有瞬时蠕变阶段和稳态阶段。

200 mm厚度加氢反应器用特厚板12Cr2Mo1VR(H)的开发

介绍了加氢反应器特厚板12Cr2Mo1VR(H)钢的成分设计、冶炼、浇铸和轧制工艺,利用JMatPro软件计算热扩散率、热容量、钢板导热能力等重要相变参数,并分析了热处理制度对其组织、回火脆化性能、高温持久与蠕变性能的影响。生产过程中通过调整Cr、Mo(Mn)和V含量,控制各组织的形态和分布,促进晶内铁素体形核,利用洁净钢冶炼技术将有害元素控制在较低水平,减少有害元素晶界偏聚产生的回火脆化现象,利用水冷模浇铸技术和控制轧制技术控制原始晶粒度,性能检测结果显示,12Cr2Mo1VR(H)钢的抗回火脆化温度达到-51℃,钢板经模拟热循环后X向、Y向、Z向的三个位置拉伸性能差异范围在15 MPa以内,厚度截面表层、厚度1/4、厚度1/2、厚度3/4位置冲击功均达到280 J以上,无较大的位置趋向差异,在540℃温度下,加载力为210 MPa时,持续1 010 h未断裂,高温蠕变弹性伸长率为0.147 5%,总塑性伸长率1.454 5%。

轧制态压力容器用钢12Cr2Mo1VR的拉伸性能及变形断裂机制

通过拉伸性能测试,EBSD观察等研究了12Cr2Mo1VR钢在不同温度下的拉伸性能及变形机制。结果表明,12Cr2Mo1VR的组织由针状和等轴状晶粒构成,在局部区域有碳化物偏析。碳化物为12Cr2Mo1VR钢在拉伸变形过程中的薄弱环节,孔洞易在碳化物处形成。在室温条件下,材料的主要变形机制是碳化物开裂形成孔洞,孔洞相互连接形成裂纹直至扩展断裂。随着温度升高,碳化物具有一定塑性,可通过再结晶形成尺寸较小的碳化物颗粒,缓解了应力集中,使材料的延伸率增大。

高强无磁不锈钢Cr21Ni13Mn5Mo2N的热加工特性

利用Gleeble 3800热模拟机对奥氏体不锈钢Cr21Ni13Mn5Mo2N进行热压缩实验,研究该钢种的高温变形与应变速率以及温度的关系,建立了双曲正弦本构方程,最终得到其热激活能为679.58 kJ/mol,应变速率因子Z=εexp(679580/R T)。实验结果表明,在950~1200℃,0.01~10 s^(-1)条件内,材料变形过程均发生动态再结晶,在950℃,应变速率为0.1 s^(-1)条件下,再结晶开始的变形量为10%。流变应力随温度升高及应变速率降低呈现明显下降趋势,由950℃、10 s^(-1)时的326 MPa降低至1200℃、0.01 s^(-1)时的75 MPa。结合微观组织分析及锻造试验,对压缩试样开裂问题进行深入探究,结果表明晶界处碳、氧化物的聚集恶化晶界塑性,导致热变形过程中在该处形成裂纹源并逐步扩展。通过热处理和热变形试验,确定Cr21Ni13Mn5Mo2N电渣锭在1170℃固溶6 h后晶界碳、氧化物消除,电渣锭晶界处结合力明显提升,成功消除锻造开裂问题,实现锻造成材率大幅提升。

冷轧压下率对ZGMn18Cr2钢组织与性能的影响

采用显微组织观察、XRD、硬度测试、冲击磨损试验等研究了不同冷轧压下率(15%~55%)对ZGMn18Cr2钢组织与性能的影响。结果表明:经1120℃×2 h水韧处理的ZGMn18Cr2钢为均匀的奥氏体组织,晶粒呈等轴状。随着冷轧压下率的增加,钢的晶粒不断沿着轧制方向被拉长,变形带逐渐增多,位错密度逐渐增大,硬度逐渐增加,耐磨性能逐渐提高。与未冷轧的ZGMn18Cr2钢相比,冷轧压下率55%的钢硬度提高了131.5%,冲击磨损质量损失降低了37.3%。

G20Cr2Ni4A轴承滚子开裂失效分析

采用金相显微镜、洛式硬度计、扫描电镜、X荧光光谱仪等检测分析手段,对材质为G20Cr2Ni4A的轴承滚子开裂原因进行分析。结果表明:G20Cr2Ni4A钢的化学成分、硬度、渗碳层深度及金相组织等均符合技术标准要求;失效滚子基体中存在的氢脆缺陷,大大增加了材料脆性,此为其快速脆性断裂的主要原因。

18Cr2Ni4WA钢奥氏体形核和长大行为研究

在齿轮热加工过程中,发现有晶粒粗大不均匀即混晶现象,严重影响着大型风电齿轮的综合性能以及该新型材料的推广应用。为了细化晶粒、改善大型齿轮综合力学性能,以18Cr2Ni4WA大型齿轮钢为研究对象,研究其锻后热处理过程中奥氏体晶核形成及其晶核长大行为。结果表明,该钢的形核和长大都与α相再结晶有关,在临界温度(700℃)主要是针状形核,临界温度以上(740℃)发生球状形核。随着α相再结晶完成,长大趋于等轴状,且奥氏体均匀化。

动载荷下Mn13Cr2Mo高锰耐磨铸钢形变硬化行为

采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)的测试方法对不同冲击载荷下典型高锰铸钢Mn13Cr2Mo的形变硬化行为进行了系统研究。结果表明,随着气缸压强由0.2MPa增加至0.8MPa,Mn13Cr2Mo铸钢形变硬化过程可近似分解为线性硬化、非线性硬化两阶段;当压强为0.2 MPa时,线性硬化维持至约107 MPa时开始向非线性硬化阶段转变。当压强由0.4 MPa增加至0.6 MPa时,线性硬化向非线性硬化阶段转变的临界强度由123 MPa增加至356 MPa;在非线性硬化阶段,当压强高于0.4 MPa时高锰钢的应变硬化率明显提高。综合考虑线性硬化向非线性硬化的转变强度以及高锰钢的加工硬化速率,当气缸压强高于0.6 MPa时,由线性硬化向非线性硬化阶段转变的临界强度达到约356 MPa。材料在非线性硬化阶段的应变硬化率较高,此时试验用Mn13Cr2Mo高锰耐磨铸钢形变硬化能力被充分激发。

NiCrFe合金补焊15Cr2Mo1耐热钢焊缝组织与力学性能

针对15Cr2Mo1耐热钢焊缝服役过程中易出现表面裂纹的问题,采用与该钢种使用场景相似的NiCrFe合金对预制不同坡口深度来模拟裂纹深度的焊缝进行补焊。通过补焊焊缝组织及性能表征,验证补焊修复工艺的适用性。结果表明:不同深度裂纹补焊后均成型良好且无明显缺陷,焊缝金属均由奥氏体胞状树枝晶及第二相析出物组成,熔合区附近存在少量共晶铁素体,但Ⅱ型边界与熔化边界间的白亮条带中不存在铁素体。补焊填充量的增加主要使接头的屈服强度降低,尤其坡口深度由6.5 mm增加至13 mm时,室温及高温屈服强度均大幅度降低15%左右,此后降低趋势减缓。填充量增加使熔合线及熔合线外2 mm区域冲击韧性提高,而全焊缝硬度随填充量增大呈现先减小后增大的特点,这与补焊缝所受的拘束作用、合金元素偏析形成析出相增多有关。

20Cr2Ni4A钢的高温热变形行为及热加工图

利用热模拟试验机,在变形温度800~1050℃、应变速率0.01~5 s^(-1)条件下对20Cr2Ni4A钢进行单道次热压缩试验,对获得的真应力-真应变曲线进行摩擦修正,根据摩擦修正后的曲线,分析了其高温热变形行为,构建了热变形本构模型,绘制了热加工图。结果表明:通过摩擦修正计算得到的流变应力小于实测应力,二者差距随应变增加而增大;当变形温度为850~1050℃,应变速率为0.01~0.1 s^(-1)时,试验钢在热压缩过程中的动态再结晶较明显;构建的热变形本构模型能够很好地预测试验钢在高温变形时的峰值应力,预测值与实测值的平均相对误差在3.44%;由建立的热加工图结合显微组织,得出试验钢适宜的热变形工艺参数为变形温度875~925℃、应变速率0.01~0.02 s^(-1)和变形温度925~1050℃、应变速率0.01~1 s^(-1)。

12Cr2Ni4A钢球面垫圈开裂原因

某航空发动机经工厂试车后,发现其球面垫圈外圆发生开裂。采用宏观观察、断口分析、能谱分析、金相检验、硬度测试等方法对该球面垫圈的开裂原因进行了分析。结果表明:该球面垫圈经氰化处理后,在磨削加工过程中,磨削温度过高导致磨削烧伤,形成黑色团状区域,该区域在快速冷却后,存在较大的残余应力,从而在该区域产生磨削裂纹,最终导致该球面垫圈发生开裂。

高强度30Cr2Ni4MoV钢低压转子锻件断裂韧性研究

断裂韧性是汽轮机转子设计、制造和安全性运行评估的关键材料数据之一。测试研究结果显示,汽轮机低压转子锻件用830 MPa强度等级30Cr2Ni4MoV钢在室温下的断裂韧性为264 MPa·√m。通过与其他强度等级的30Cr2Ni4MoV钢的断裂韧性数据进行对比分析,可见随着强度等级提高,30Cr2Ni4MoV钢的室温断裂韧性略有下降,但830 MPa强度等级钢的室温断裂韧性与常用的760 MPa等级基本处于同一水平,仍保持在较高值上。研究成果可为高强度30Cr2Ni4MoV钢低压转子锻件的设计制造提供参考。