内蒙古工业大学本科科研训练论文（二 一 四 年 十 二 月本科科研训练论文学校代码： 10128学 号：201000412005 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 授内蒙古工业大学本科科研训练论文目录引言 .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内蒙古工业大学本科科研训练论文1引言在超超临界火电机组中。一些新型奥氏体耐热钢管，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。内蒙古工业大学本科科研训练论文21 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 ， 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 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 0.20 0.60%的 Nb 和 0.15 0.35%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 HR3C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 s 350MPa 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 强内蒙古工业大学本科科研训练论文3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 ， 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 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 508 184.15mm 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 ，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 、内蒙古工业大学本科科研训练论文4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 其 常 温 塑 性 和