为构建新型电力系统并实现“双碳”目标,新一代煤电调峰机组大规模投运,其关键高温部件面临以疲劳-蠕变交互作用为特征的损伤模式。本文基于现行设计规范及P91/P92等材料试验数据,系统分析了锅炉厚壁部件在稳态与灵活调峰工况下的温度、应力及载荷变化特征,揭示了实验室高应力试验条件与实际低应力、频繁变载服役状态的差异,阐明了不同应力、温度及负荷变化、频率、速率等对蠕变孔洞演化、疲劳裂纹扩展及蠕变-疲劳损伤的影响机制。研究表明,调峰工况下厚壁部件因瞬态热应力与局部塑性应变显著提高,主导失效模式由稳态下的蠕变失效转变为以低周热疲劳及蠕变-疲劳交互为主的复杂损伤。结合工程案例,提出采用G115、C630R等高性能合金、优化部件几何形状降低应力集中、建立在线寿命评估系统等对策,构建近工况蠕变-疲劳试验体系与多因素损伤模型,并制定适用于调峰机组的材料选型指南,是保障其长期安全运行的关键。

FeCrNiCoMo型低温不锈钢兼具高强度与优异低温韧性等特性,在低温工程、航空航天等领域有广阔的应用前景。针对此类不锈钢增材制造过程中的氧增现象,本研究对比分析了添加铝与钛2种氧化物形成元素对不锈钢中氧化物特征、微观组织演化及力学性能的影响规律。研究结果表明,与铝系氧化物相比,钛系氧化物在增材制造后呈现更细小弥散的分布形态,且沉积态样品中胞状组织尺寸更小。该不锈钢经增材制造及均匀化处理后,力学性能显著提升。以钛作为氧化物无害化添加元素时,材料屈服强度可达 1 208 MPa、抗拉强度达1 245 MPa,且在-196 ℃时低温冲击韧性为82 J,添加Al的不锈钢低温韧性为59 J,钛添加体系较铝添加体系提升约39%。本研究认为,对于增材制造过程中对夹杂物敏感的高强韧钢,通过优化氧化物形成元素的选择与应用,可有效改善材料力学性能。

SA508Gr.4N钢具有优异的抗疲劳性能、抗辐照性能及淬透性,是新一代核压力容器重要的候选材料,但该材料具有严重的组织遗传性及混晶现象。本文依据SA508Gr.4N钢平衡组织转变和动态再结晶规律,提出了2次阶梯式完全退火、3次亚温正火和等温退火+亚温正火+完全退火3种热处理方案,旨在消除钢中的组织遗传性及混晶现象。采用光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射以及透射电镜等方法分析了不同热处理工艺对材料显微组织形貌的影响,通过分析不同工艺下材料的再结晶情况以及组织形貌变化,探寻了消除SA508Gr.4N钢组织遗传性和混晶的最佳方案。结果表明,完全退火可部分切断组织遗传性,但对晶粒细化效果一般,热处理后晶粒等级为5.0~5.5级;而亚温正火对晶粒细化具有明显作用,经3次亚温正火后晶粒等级为5.5~6.0级;等温退火使原奥氏体晶粒内板条束的部分晶粒取向被打破,组织遗传性得到有效的消除,采用等温退火+亚温正火+完全退火工艺有效切断SA508Gr.4N钢组织遗传性,并细化和均匀化了原奥氏体晶粒,最终晶粒等级可达6.0~6.5级。

传统工艺制造双相不锈钢铁素体相含量的增加往往伴随晶粒尺寸长大,限制其强度的提升。本文采用粉末冶金热等静压(PM-HIP)工艺制备25Cr型低氮双相不锈钢,在保证两相晶粒尺寸细小的同时,通过后续固溶热处理调整铁素体相含量,并系统研究制备过程组织演变与力学性能之间的关系,揭示了由铁素体相主导的强化机制。通过研究发现,初始粉末组织为纯铁素体,经热等静压成型后获得含σ相的奥氏体和铁素体双相基体组织的烧结件。烧结件经1 050 ℃固溶热处理保温30 min可有效消除σ相。调整固溶热处理温度从1 050 ℃升高至1 200 ℃,铁素体相平均晶粒尺寸从9 μm增加至18 μm,屈服强度从547 MPa提高至768 MPa。铁素体相含量的显著增加促进了易屈服相奥氏体内间隙元素(氮元素)质量分数呈倍数增长,驱动两相同步强化,最终显著提高屈服强度。

低合金中碳轴承钢在高端装备的应用可大幅降低生产成本,但实现屈服强度2 000 MPa的同时兼顾高塑性与韧性仍是行业挑战。本文以60Cr2Si2MnMoV钢为研究对象,探究不同淬火温度对其微观结构演变与力学性能的影响,揭示其强韧化机制。通过电子背散射衍射、X射线衍射和透射电子显微镜等手段分析试验钢原奥氏体晶粒尺寸、马氏体及残余奥氏体特征、位错密度和纳米析出物演变规律,同时结合拉伸与冲击测试评估力学性能。结果表明:880 ℃为最优淬火温度,回火态试样实现屈服强度2 015 MPa、抗拉强度2 252 MPa、伸长率7.25%、冲击韧性14.05 J/cm²的优异性能;微观组织上,880 ℃时原奥氏体晶粒未粗化、马氏体板条细长、取向一致性佳,残余奥氏体体积分数达7.5%且分布均匀,Cr、Mo基碳化物与孪晶弥散分布,使多种强化机制协同作用。本研究明确了60Cr2Si2MnMoV钢淬火温度对强韧性的调控机制,为其工艺优化提供理论支撑。

Fe-Cr-Ni-Mo-Co低温用马氏体时效不锈钢是一种具有优异室温强度与低温冲击韧性匹配的钢种,但该钢种的焊接难度较大。焊接作业产生的内应力过高时,焊接过程中易引发热裂纹。为抑制该类缺陷,需在焊缝熔敷组织中析出适量δ铁素体,但过量δ铁素体会显著劣化焊缝的低温冲击韧性。因此,需通过合金成分优化设计,使焊缝中δ铁素体的析出量处于合理范围,从而在不严重恶化焊缝低温冲击韧性的前提下抑制热裂纹的产生。本研究通过成分设计得到一种针对Fe-Cr-Ni-Mo-Co马氏体时效低温不锈钢的专用焊丝,研究该焊丝熔敷组织中δ铁素体的析出机制,调控焊丝熔覆组织中的δ铁素体含量,使焊缝熔覆组织中δ铁素体体积占比控制在3%~4%范围内,最终使-196 ℃低温韧性提升至58 J、室温强度提高20%、焊接接头系数不低于0.9。

残余应力诱导的异常晶粒长大(AGG)是镍基合金形成严重混晶组织的关键机制之一。本文以表层区域具有高残余应力的GH4202合金轧棒为对象,在高/低初始残余应力条件下研究了固溶过程中的组织演变,并利用EBSD/SEM表征及理论分析,系统揭示了表面粗晶环缺陷的形成机制。研究表明,残余应力对AGG过程存在显著调控作用,但并非其必要条件。在高表面残余应力作用下,固溶时轧棒边缘首先发生局部静态再结晶,进而引发3个阶段AGG,最终形成严重粗晶环;而在初始残余应力降低后,材料仍可通过2个阶段AGG形成厚度较浅的粗晶环。在2种情况下,粗晶环形成的核心机制均源于初始晶粒尺寸(反映曲率驱动力)与碳化物钉扎力之间的匹配关系所引发的AGG,残余应力则起到促进作用。因此,消除粗晶环缺陷需重点考虑调整固溶前晶粒尺寸或调控钉扎力大小,据此提出了工艺改进措施。

压力容器装备正朝着长寿命、高可靠性方向迭代升级,对材料的高温强度与疲劳性能提出了更为严苛的要求。23CrNi2MoVNb(S2)钢作为新型耐高温压力容器用钢,其700 ℃高温强度较传统材料提升2倍以上,达到500 MPa级别,可作为关键延寿材料,充分满足未来新型压力容器的技术需求。本研究通过拉伸、疲劳等试验手段,系统探究了该材料的力学性能及低周疲劳特性,并与现役25Cr3Mo3NiNbZr(S1)钢开展对比分析,旨在揭示其疲劳断裂机制。研究结果表明:相较于S1钢,S2钢的室温抗拉强度提升11.35%、屈服强度提升30.54%;700 ℃高温环境下,其抗拉强度进一步提升28.15%,屈服强度提升幅度达44.22%。相关测试结果表明,S2钢的疲劳强度系数为1 693 MPa、循环强度系数为1 429 MPa、疲劳过渡寿命为1 623次,相较于S1钢分别提升了35.77%、18.69%、12.47%。通过疲劳断口微观表征发现,S2钢的疲劳裂纹起源于表面,扩展方式以解理为主;而S1钢存在多个起裂源,裂纹更易萌生,扩展机制主要为以沿晶断裂与解理断裂并存。微观分析显示,S2钢的疲劳条带平均宽度为10.23 μm,显著小于S1钢的2.38 μm,表明S2钢的疲劳裂纹扩展速率更低;在瞬断区,S2钢形成的韧窝等效直径达 48.97 μm,大于S1钢的34.71 μm,且其韧窝呈现大而深的形貌特征,表明S2钢具有较好的塑性与抗疲劳性能。相分析结果表明,S2钢中纳米级MC与M₂C析出相占比较高,不仅显著提升了基体强度,还能有效阻碍循环载荷下位错的反复滑移,减少塑性变形积累,这是其疲劳强度系数与循环强度系数较高的主要原因。此外,微观分析与断口特征显示,S2钢的晶粒度达9.5级,较S1钢细化30%以上,且疲劳条带平均宽度缩小一半,有利于降低疲劳裂纹扩展速率,这是S2钢疲劳过渡寿命高的主要原因。

为了建立W9Cr4V2Mo钢奥氏体化工艺与碳化物、晶粒之间的联系,采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)等表征技术,结合热力学计算与Image-Pro Plus 6.0图像分析软件,研究了不同奥氏体化温度(1 140~1 240 ℃)及不同保温时间(5~20 h)对高碳高合金W9Cr4V2Mo钢碳化物溶解及晶粒长大规律的影响。结果表明,在高温均质化过程中,随着均质化温度的升高,M₆C型碳化物优先溶解,MC型碳化物随后溶解。随着均质化温度以及保温时间的升高,碳化物面积分数有减少的趋势。在碳化物回溶过程中,其表面曲率会持续变化,碳化物的棱角性指标也随之波动。当温度超过1 200 ℃时,材料中会出现混晶现象。此外,本研究通过统计测定不同奥氏体化温度与保温时间下的晶粒尺寸及碳化物特征参数,采用阿伦尼乌斯型公式对奥氏体晶粒长大行为进行拟合,并综合考量奥氏体化温度与保温时间的影响,得到了在该范围内(1 140~1 240 ℃,5~20 h)适用于W9Cr4V2Mo钢的晶粒长大动力学模型。

以抚顺特钢生产的滚珠丝杠用50CrMo钢作为试验材料,研究其冶金质量评价和滚动接触疲劳性能。采用白光干涉仪、显微硬度计和扫描电子显微镜等方法对疲劳剥落形貌进行多维度表征。结果表明,试验钢具有较高的洁净度和均匀度水平,在4.0 GPa载荷下的滚动接触疲劳寿命L₁₀=1.143 9×10⁷次。发生疲劳破坏的样品根据其剥落形貌可以分为2类,一类是小尺寸点状剥落,其发生疲劳破坏的主要原因是表面接触状态不良,另一类是大尺寸带状剥落,其原因是硫化锰夹杂物引起的次表面起源型裂纹,在疲劳剥落扩展中,随着接触面粗糙度的上升,表面起源型裂纹逐渐占据主导地位,最终形成混合型剥落形貌。在4.0 GPa载荷下,50CrMo钢亚表层MnS夹杂物引起次表面裂纹,发生油楔效应导致裂纹逐渐扩展。因此,在高应力水平服役环境下,应提高钢的洁净度水平。

本文研究了敏化处理后不同Si和P含量对006Cr25Ni20不锈钢在沸腾HNO₃(质量分数为65%)溶液中腐蚀行为的影响,分析了腐蚀形貌及钝化膜组成,并观察了其微观结构。结果表明,当Si质量分数由0.076%增加至0.25%,钝化膜的组成并未改变,而是促进了M₂₃C₆在晶界析出。M₂₃C₆的析出导致晶界形成贫Cr区,进而呈现坑洞状的晶间腐蚀形貌,但M₂₃C₆并未沿晶界连续析出,而是以断续形式分布,因此晶间腐蚀深度未出现显著增加。当P质量分数由0.004%增加至0.012%时,不锈钢晶界呈现连续沟壑状的晶间腐蚀形貌,晶间腐蚀深度显著增加;同时其钝化膜的极化电阻降低,表面钝化膜中Cr₂O₃的占比减少,导致耐腐蚀性能明显下降。

钢结硬质合金在耐磨材料领域有着广泛应用,一般采用粉末冶金烧结工艺制备,历经混粉、压型、烧结等过程,具有周期长、工艺复杂、批次稳定性难以控制的特点。本文采用气雾化制备含有30%WC(质量分数)的复合粉末代替多种元素混粉工艺,采用放电等离子烧结(SPS)制备钢结硬质合金。主要研究了不同烧结温度下(850、950和1 000 ℃)以WC为增强相的钢结硬质合金的显微组织及力学性能变化,并探究了从粉末到SPS烧结态微观组织的演变过程。研究结果表明,随着SPS烧结温度的升高,组织中孔隙逐渐减少,致密化程度提高,硬度增加。粉末阶段Fe、W、C元素以亚稳态的Fe₆W₆C形式在粉末颗粒内部呈网状分布。烧结温度升高的同时,亚稳相分解,沿着粉末颗粒边界及晶界析出更加稳定的WC和Fe₃W₃C,且元素扩散更加强烈,粉末颗粒边界WC数量增加,但尺寸未发生显著变化。

本文采用金相显微镜、X射线衍射(XRD)、背散射电子衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等显微分析技术,研究了热处理工艺对30Cr15Mo1N钢组织和性能的影响。在不同温度加热2 h后淬火,随后进行-73 ℃深冷处理1 h和160 ℃低温回火处理2 h。结果表明,试验钢的晶粒尺寸随淬火加热温度的升高而增大,从950 ℃提升到1 050 ℃时,晶粒尺寸从9.8 μm缓慢长大到19.8 μm,从1 075 ℃提升到1 200 ℃时,晶粒尺寸从38.6 μm快速长大到121.0 μm,晶粒粗化温度为1 075 ℃;析出相主要为M₂₃C₆型碳化物和M₂(C,N)型碳氮化物,其溶解温度分别为1 000和1 100 ℃。在淬火过程中,析出相溶解导致晶粒尺寸长大,同时提高了奥氏体强度和稳定性;C、N、Cr、Mo等元素回溶降低了试验钢的马氏体开始转变温度(M_s),导致淬火时奥氏体转变不完全,加热温度为1 075 ℃以上时残余奥氏体体积分数可达80%左右。降低试验钢中残余奥氏体体积分数的关键方法是将淬火加热温度控制在1 000 ℃左右,并结合深冷处理和低温回火工艺,可达到残余奥氏体体积分数小于5%、硬度不小于58.0HRC且线膨胀系数小于1.2×10^-5℃^-1的理想水平,从而满足轴承钢对高硬度和高尺寸稳定性的苛刻要求。

高温轴承在750 ℃以上服役时,滚珠和套圈容易产生压痕、表面磨损,甚至发生断裂失效,严重制约其可靠性和服役寿命。因此,提升高温合金的综合强度与韧性成为高温轴承材料设计的核心问题。本研究以GH4199合金为基础,通过去除W、Mo元素制备CB10G1合金以及进一步添加质量分数为0.59%的Nb制备CB10G2合金,系统研究Nb对高温镍基合金组织演变及力学性能的调控作用。试验在终锻温度不小于1 050 ℃条件下进行,材料状态包括锻态、锻后720 ℃×8 h空冷,以及锻后720 ℃×8 h空冷再加620 ℃×8 h空冷时效3种。研究表明,加入质量分数为0.59%的Nb后,在3种状态下,与CB10G1合金相比,CB10G2合金的抗拉强度分别提升了10.0%、8.4%和7.3%,屈服强度分别提升了19.5%、13.5%和10.6%,洛氏硬度分别提升了80%、21.7%、10.7%,同时CB10G2合金的伸长率和断面收缩率也有所提升。微观组织分析显示,Nb在固溶和时效过程中促使晶内及晶界处形成细小、均匀分布的NbC颗粒,抑制晶粒长大,并促进γ′相细小、均匀析出,增强晶界钉扎效应,从而改善合金的晶界稳定性。此外,Nb通过调控γ′相分布与晶界碳化物形态,有效延缓裂纹萌生与扩展,使断口韧窝分布更加均匀,实现高强度状态下的韧性保持,体现了析出强化与晶界强化的综合效应。