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稳态蠕变不锈钢管加速氧化

高温条件下,稳态蠕变不锈钢管加速氧化在空气环境中进行低周疲劳试验时。不锈钢管会发生明显的氧化作用。已有研究显示,空气中的氧扩散至疲劳裂纹尖端所需的时间约为量级,而氧与新鲜金属发生化学反应的时间比氧的扩散时间要长,约为0.015秒,这就导致,高温空气环境中进行低周疲劳试验时,不锈钢管试样疲劳裂纹尖端的氧含量始终处于饱和状态,多余的氧还可再扩散至基体内部,导致基体金属原子的结合变得弱化,增大材料的脆化倾向,加速了裂纹的扩展和生长。发生低周疲劳的同时,高温也会使不锈钢管产生蠕变变形,高温为原子的加剧扩散提供了外加的能量,当材料内部存在缺陷时,例如孔洞、空隙等,原子扩散变得容易,并且随着低周疲劳的进行,材料内部还会产生位错,应力作用下,位错的滑移和攀移与点缺陷相互作用,促进微孔的聚集,形成大的空洞等,孔洞、空隙周围的原子随时间变化再发生重排,导致孔洞不断聚集,削弱了材料,最终形成宏观裂纹,导致不锈钢管材料发生断裂。与室温条件相比,高温促进了材料的加速氧化、原子的加速扩散,应力作用下,内部缺陷和位错相互作用,可明显降低不锈钢管的低周疲劳性能。不锈钢管材料蠕变变形的规律可用蠕变曲线进行描述,反映了材料在特定温度、应力的组织情况下,其变形量与时间之间的关系。典型的蠕变曲线包括3个阶段:蠕变第一阶段,具有逐渐减慢的蠕变速率;蠕变第二阶段:稳态蠕变阶段,应变硬化过程和回复过程达到平衡,最重要的阶段;蠕变第三阶段,蠕变过程加速,直至断裂。

            评定材料长时间蠕变性能时,通常采用稳态蠕变速率。对于长寿命材料的应用,316不锈钢管其在高温及应力作用下的稳态蠕变速率是材料的关键指标,并可进行外推。以下是不锈钢管不同试验条件下的试验结果,结果表明,550℃(90MPa600℃(85MPa条件下蠕变500h后,不锈钢管试样的稳态蠕变速率在量级;而当温度条件升高至650℃(应力下降至70MPa时,不锈钢管试样的蠕变性能最佳,稳态蠕变速率在量级;当温度进一步升高至700℃(65MPa不锈钢管试样的温度蠕变速率有所上升,800℃(65MPa稳态蠕变速率达到几种试验条件下的最大值,并且发生了蠕变断裂。不锈钢管试样在几种条件下的稳态蠕变速率变化情况见图。温度升高时,材料保持着较低水平的蠕变速率,650℃/70MPa条件下,310S蠕变变形速率并未增加,其表现出对该温度和应力不甚敏感,该条件下蠕变性能较佳。将该结果与其他几种核电常用结构材料相比,可知,几种材料在所有试验条件下,蠕变性能优于普通材料,500小时试验后,总的应变量均未超过0.12%该曲线比较稳定,波动较小,说明试验数据稳定性好,可信度高。不锈钢管管因具有优良的耐腐蚀性能而被广泛应用于石油化工、管道输送等具有强烈腐蚀介质作用下的工况。不锈钢管管具有耐腐蚀性能的主要原因是大量元素CrNi加入,而Cr元素是决定不锈钢管耐腐蚀性能的主要元素,不锈钢管的电极电位随着Cr元素含量的增加而跳跃性提升。但是不锈钢管管在随后的热处理过程当中,Cr元素会以碳化物的形式析出基体,一方面,Cr碳化物硬度比基体大,服役磨损过程可以提高不锈钢管的耐磨损性能。另一方面,含Cr碳化物的析出,会导致基体某些部位出现Cr元素贫化区,增加了材料的电池数目,使得不锈钢管的电极电位下降,反而加速了不锈钢管的腐蚀。因此,不锈钢管管要获得良好的耐腐蚀磨损性能,需要考虑到不锈钢管材料的力学性能和耐腐蚀性能的结合。目前,一些学者通过热处理来改变不锈钢管耐腐蚀性能,等研究了奥氏体化的温度和时间、回火的温度和时间对不锈钢管力学性能和耐腐蚀性能的影响,发现奥氏体化温度可以改变力学性能但对腐蚀性能的影响很小,而回火温度通过对第二相的影响,对材料的耐腐蚀影响比较大,通过控制适当的奥氏体化温度和回火温度,来达到耐腐蚀磨损性能的提高。一些学者用表面处理来提高材料的耐腐蚀磨损性能,浙江至德钢业有限公司研究人员通过在马氏体不锈钢管表面渗氮,得出低温渗氮在材料表层形成扩散层,提高材料耐磨性,与Cr发生作用和化学稳定相07-Fe3N两者共同提升材料耐腐蚀性能的结论。

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