تاثیر قرار گرفتن طولانی مدت در درجه حرارت بالا بر روی ریزساختار و خواص مکانیکی فولادHR3C

چکیده

HR3C فولاد جدیدی است که برای اجزای تحت فشار در ساخت مولدهای بخار با شرایط کاری فوق بحرانی به کار مــیرود. در فولاد HR3C به دلیل افزودن Nb و N ترکیباتی مانند MX، CrNbN، M23C6 در جریان به کارگیری در درجــه حرارت بالا رســوب میکند که منجر بــه تغییرات در خواص مکانیکی میگردنــد.

در تحقیق حاضر نتایج مطالعات ریزساختاری پس از پیرسازی در 650، 700 و 750˚C به مدت 5000 ساعت ارایه شده است. مطالعات ریزســاختاری با اســتفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشــی و عبوری انجام گردیده و تعیین کمی و کیفی رسوبات موجود نیز با به کارگیری آنالیز با اشــعه X صورت گرفته و در نهایت اثر درجه حرارت بالا بر ریزســاختار و خواص مکانیکی فولاد مورد مطالعه، تشریح شده است.

مقدمه:

در ســايه شــرايط قانونی اروپايی، ذخاير زغال سنگ ســخت و قهوه ای در لهســتان، كاهش هزینه های بيشــتر واحدهای فعال نيروگاهــی و امنيت تامين انرژی، مسير تحقيق و توسعه را در لهستان بر ساخت واحدهای نيروگاهی مدرن قادر به تحمل عوامل فوق بحرانی با درجه حرارت بخار تا 620˚C و اســتحکام 18 مگاپاســکال و در آينده نزديک نيز رســيدن به شــرايط فراتر از فوق بحران با درجه حرارت بخار تا 650-740˚C و اســتحکام 30-35 مگاپاســکال متمركز كرده است.

بنابر سياست های اجرايی، سوخته ای فســيلی، خصوصا زغال سنگ، منبع برای توليد انرژی الکتريکی در دهه های آتی باقی مانده و براساس آخرين اطلاعات از وزارت اقتصادی (لهستان) اجرای طرح های احداث نيروگاه های اتمی در 2030 خواهد بود.

اصلی برای كاهش ســطح CO2 در اتمســفر و صرفه جويی ســوخت های فسيلی ضروری اســت راندمان در توليد انرژی برق افزايش يابد و اين امر نيازمند توسعه فولادها و آلياژهای جديد برای كار در حرارت های بالاتر است

تاريخچه ســاخت مولدهای بخار ابر بحرانی به دهه 50 ميلادی میرســد.  اوليــن نمونه از واحدهای نيروگاهی بــا ويژگی های تحمل ˚C 566-649 و 30 مگاپاســکال در آمريکا و در نيروگاه Eddystone كه عضوی از شــركت

Electric Philadelphia بود و همچنين در اكراين ساخته شد. فولادهای پايه آســتنيتی و فناوری های آنها كه برای رســيدن به الزامات كيفی شکست خــورده بودند به كار رفتند. خطاها و اشــتباهات در فناوری در اثر فقدان تجربه و وضعيت دانش ناكافی از فولادهای آستنيتی و راه استفاده آنها مشکلات بزرگی را حين كار ايجاد كرد و باعث گرديد اســتفاده از اين واحدهای نيروگاهی كاهش يابد، تا اينكه در اواسط دهه 90 واحدهای نيروگاهی ابر بحرانی دوباره به عرصه صنعت بازگشتند.

آلياژهای بهكار رفته برای ســاخت اجزای سيســتم مولد بخار بايد شــرايط رفتار پايداری از نظر خصوصيات مکانيکی شــامل: نقطه تسليم، استحکام خزش، حساســيت پايين به افزايش تردی و مقاومت بــه خوردگی تا 200 هزار كاری را داشــته باشند.

با دستيابی به ساختار و خصوصيات فيزيکی پايدار اين شرايط قابل دسترس اســت در حالی كه اين ويژگی ها در جريان كاركرد به طور ثابت كاهش می يابند، ليکن نبايد به كمتر از حد پايين قبول شــده در شــرايط طراحی برسند، علاوه بر خصوصيات مکانيکی بالا اين آلياژها بايد دارای ويژگی هايی مانند قابليت جوشــکاری خوب، تحمل كرنش های ســرد و گرم و عمليات حرارتی نه چندان پيچيده باشند.

امروزه در لهستان و ساير كشورها نه فقط فولادهای آستنيتی-مارتنزيتی بلکه فولادهای آســتنيتی پرنيکل و پركروم مانند HR3C، سوپر H 304، HR6W و CR30A همچنين سوپر آلياژهای نيکل مانند اينکونل 617، 625 و 740 در محدوده آلياژهای مورد توجه برای ســاخت سيستم های مدرن بخار هستند. اســتفاده از اين آلياژها برای ساخت سيستم های بخار نه تنها نيازمند خصوصيات مکانيکی بالاست بلکه ابتدا تعيين رفتار آنها در جريان به كارگيری طولانی مدت نيز الزامی می باشد.

روش آزمایش و آلیاژهای مورد مطالعه

آلياژ مورد مطالعه نســل جديد فولاد آســتنيتی مقاوم بــه خزش در درجه حرارت بالا HR3C (X6CrNiNbN25-20) بوده كه برای اســتفاده در اجزای سيستم های بخار با ويژگی های ابر بحرانی و فرا ابر بحرانی در مقابل بخار به كار رفته اســت. فولاد HR3C يک فولاد آستنيتی كروم-نيکلدار مقاوم به خوردگی می باشد كه دارای 25٪ كروم، 20٪ نيکل و مقاديری نيوبيم و نيتروژن است.

اين فولاد در مقايسه با فولادهای پرآلياژ ديگر با ويژگی استحکام به خزش بالا يعنی اســتحکام 66 مگاپاسکال در ˚C 700 پس از 100 هزار ساعت شناخته شده كه اين كيفيت اثر عمليات حرارتی محلولی و رســوبی است. مقدار استحکام خزش يک مشــخصه مهم برای استفاده در مولدهای بخار با ويژگی كار در محدوده ابر بحرانی اســت و مقدار بالای كروم نيز باعث مقاومت خوب به خوردگی در درجه حرارت بالا و اكســيد شدن در اتمسفر بخار می باشد. تركيب شيميايی اين فولاد مورد بررســی در جدول 1 ارايه شــده و نمونه های آزمايشی از مقاطع محصول نهايی، به شکل لوله هايی با قطر 54 و طول 4/4 ميلیمتر برداشته شده است.

مطالعات ريزساختاری با استفاده از الکترون ميکروسکوپ روبشی Inspect-F بــر روی نمونــه متالوگرافی از ميکرومقاطع اچشــده با محلــول كلرورفريک و همچنين بررســی با ميکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) 80-300 TITAN بر روی نمونه های فويل نازک انجام گرديد. تركيب شيميايی رسوبات (كاربيدها) نيز با اســتفاده اشعه X و دستگاه ديفركتومتر Philips و بر روی نمونه های فويل نازک و به كمک پراش الکترون انتخابی تعيين گرديد.

تعيين خصوصيات مکانيکی فولاد HR3C در شــرايط تحويل گرفتهشده و پس از پيرسازی به مدت طولانی با آزمون كشش استاتيک و در درجه حرارت بالا به وسیله دستگاه كشــش Zwick با نيروی حداكثر kN 200 و سختیسنجی به روش ويکرز با دســتگاه (Future-Tech.FM-7) تحتبار kg 10 و آزمون ضربه نيز بر روی نمونه های با شکاف V شکل انجام شد.

بررســی كمی رســوبات نيــز بــا بهكارگيری سيســتم آناليــز تصويری Gv.5.03( LUCIA- & )EPIPHOT200 شركت Nikon انجام گرديد. مقياس بهكاررفته برای كاليبر كردن سيستم آناليز تصويری كه در تصاوير مشخص شده، برای هر نقطه معادل 0/04 ميکرون بوده است. آزمايشهای ذكرشــده بــر روی نمونه های آلياژ در شــرايط اوليه و پس از پيرســازی طولانــی در 650 و ˚C 700 به مدت 1000 و 5000 ســاعت انجام شده است.

نتایج و سگالش

ریزساختار

در شــکل 1 تصاوير ريزساختار فولاد HR3C در شرايط اوليه تحويل گرفته شده با الکترون ميکروسکوپ روبشی مشاهده میشود. ريزساختار فولاد آستنيتی با دوقلويیهای زياد حاصل از آنيل و رســوبات اوليه با اندازههای مختلف درون دانه ها. تشکيل دوقلويی از ويژگی های آلياژها و فلزات با شبکه بلوری FCC (اتم در وجوه) می باشد و همچنين فولادهای آستنيتی دارای انرژی های پايين ناشــی از خطای انباشــتگی بوده و پس از فرآيند تغيير شــکل پلاستيک تحت عمليات حرارتی محلولی قرار میگيرند.

فولاد مورد مطالعه در اين شرايط احتمالا دارای رســوبات (NbC,N MXNbCrN, و Ni Cr, M23C6M5Fe,) است. تعيين و تشخيص رســوبات با الکترون ميکروسکوپ عبوری نشان داد در آخرين فاز انجماد تركيبات اوليه NbCrN و NbN رســوب كرده اند كه در شکل 2 و 3 به ترتيب نشان داده شدهاند. اندازه دانه آستنيت نيز در فولاد HR3C مطابق با مقياس الگوی گرافيت است.

تصاوير الکترون ميکروســکوپی نشان داد كه پس از پيرسازی در 650، 700 و ˚C 750 برای 1000 و 5000 ســاعت تغييراتی در فولاد HR3C به وجود آمده كه در تصاوير 4، 5 و 6 به ترتيب مشاهده میگردد. تغييرات در ريزساختار فولاد با زمينه آستنيت به دليل پيرسازی طولانی مدت در درجه حرارت بالا مبين فرآيندهای رسوب فاز ثانويه است كه به وسيله جدايش كروم در نواحی ميکروســکوپی چســبيده به مرز دانه ها و به دنبال آن تشــکيل كاربيدها به صورت پيوســته و شبکه ای شکل است. در شکل 7 نمونه ای از توزيع سطحی كروم و آهن در فولاد HR3C پيرسازی شده در ˚C 650 به مدت 1000 ساعت مشاهده میگردد.

پيرسازی در ˚C 650 به مدت 1000 و 5000 ساعت باعث رسوب و افزايش انــدازه كاربيدهــای Cr23C6 در مرز دانه های آســتنيت و دوقلويی ها و صفحات لغزشــی درون دانه های آستنيت با گذشــت زمان پيرسازی شده است.

تعيين تركيب فازی به وسيله اشعه X همچنين حضور رسوبات NbCrN و Cr2N را نشــان داد. اين فازها به طور عمده درون دانه ها تشکيل میشوند كه در تحقيق (26) نيز اين موضوع تاييد شــده است. اندازه ميانگين قطر رسوبات Cr23C6 پس از 1000 و 5000 ســاعت پيرســازی در ˚C 650 به ترتيب 198 و 387 نانومتر بوده است.

با افزايش درجه حرارت پيرسازی شدت يافتن فرآيند رسوب در فولاد HR3C مشــهود است. اين موضوع با اندازه گيری رسوبات Cr23C6 تاييد گرديد به طوری كه پس از پيرســازی نمونه ها در ˚C 700 به مدت های 1000 و 5000 ســاعت اندازه رســوبات به ترتيب 221 و 486 نانومتر و با پيرسازی در ˚C 750 ميانگين اندازه رسوبات در مقايسه با دماهای 650 و ˚C 700 به طور چشمگيری افزايش يافته و پس از 1000 و 5000 ساعت پيرسازی به ترتيب به 628 و 945 نانومتر رســيده است. تغييرات اندازه رسوبات فولاد HR3C در تحقيق (27) نيز روند مشابهی داشته است.

تركيب شيميايی رسوبات فازی با آناليز كاربيدهای جدا از هم در فولاد مورد مطالعه در شرايط اوليه و پس از پيرسازی به وسیله اشعه X انجام شده و نتايج نيز در جدول 2 ارايه گرديده است.

خصوصیات استحکام

فرآيند پيرســازی در درجه حرارتی كه مشــابه كاربرد طولانی مدت قطعات اســت انجام گرديد تا تغييرات ريزساختاری موثر در خصوصيات استحکام و تغيير شــکل پلاســتيک آلياژ به وجود آيد كه بر مبنای نتايج آزمون كشش استاتيک، سختی ســنجی و اندازه  گيری انرژی ضربه ديناميک بررســی ها انجام گرديد. در شکل های 8 و 9 تغييرات در خصوصيات مکانيکی فولاد HR3C متناســب با عوامل پيرسازی ارايه شده است.

در شــکل 8 مشاهده میشود پيرســازی در ˚C 650 به مدت 5000 ساعت تاثير چشــمگيری بر افزايش اســتحکام تسليم و كششی داشــته به طوری كه اســتحکام تسليم YS پس از پيرســازی معادل 86 مگاپاسکال يعنی 25 درصد و اســتحکام كششــی (TS) نيز معادل 30 مگاپاســکال يعنی 4 درصد نســبت به شــرايط اوليه افزايش يافته اســت.

پس از پيرســازی در درجه حرارت بالاتر ˚C 700 اســتحکام تسليم و استحکام كشش نســبت به شرايط اوليه به ترتيب 18 و 6 درصد افزايش يافتند. اما پس از 5000 ســاعت پيرســازی در ˚C 750 خصوصيات مکانيکی تقريبا شبيه حالت اوليه بوده به طوری كه استحکام كششی يک كاهش اندک 5 درصدی و استحکام تسليم نيز يک افزايش 6 درصدی داشته است.

برای هر سه درجه حرارت پيرسازی برای مدت 1000 ساعت يک افزايش ناگهانی در مقادير اســتحکام كشش و تسليم و با افزايش زمان آنيل يک كاهش مشــاهده گرديد در حالی كه مقدار ازدياد طول نســبی (EI) پس از پيرسازی در 650، 700 و ˚C 750 به طور مداوم با افزايش زمان پيرسازی كاهش يافته و اين كاهش در درجه حرارت های بالاتر سريعتر بوده است.

تغييرات مشــابهی از نظر خصوصيات مکانيکی فولاد HR3C نيز در تحقيق (24) مشــاهده گرديده است. خصوصيات چکش خواری آلياژ براساس اندازه گيری انرژی ضربه KV بر روی نمونه های غيراســتاندارد mm 10×2/5 55× كه يک شــاخص نسبی برای استحکام ضربه اســت انجام گرديد و نتايج آن در شکل 9 مشاهده میشــود.

روند تغييرات در اســتحکام ضربه KV نشان دهنده وضعيتی مشــابه ازدياد طول نسبی است  پيرسازی تا 1000 ساعت در ˚C 650 نســبت به شرايط اوليه باعث يک افت ناگهانی از 108 به 32 ژول شده در حالی كه در 700 و ˚C 750 مقادير استحکام ضربه به ترتيب به 20 و 24 ژول كاهش می يابد.

طولانی شدن مدت آنيل با افزايش درجه حرارت روندی مشابه با تغييرات در ازدياد طول داشــته و به طور مداوم ولی آرام باعث كاهش استحکام ضربــه میگردد، به طوری كه مقدار انرژی ضربه KV فولاد مورد مطالعه پس از پيرسازی در 700 و ˚C 750 به مدت 5000 ساعت كمتر از مقدار حداقل الزامی 27 ژول است. تاييد اســتحکام ضربه پايين، طبيعت شکست تردی است كه در نمونه های پيرسازی در ˚C 650 به مدت 1000 ساعت مشاهده میگردد.

جمع بندی:

به دليل مقاومت بالا به خزش در درجه حرارت بالا و مقاومت بســيار خوب به خوردگی و اكســيد شــدن در بخار با درجه حرارت بالا، كه به دليل تشکيل اكســيدهای كروم Cr3O2 پســيو می باشد، فولاد HR3C برای شرايط كاری طولانی مدت در درجــه حرارت ˚C 650-660 توصيه گرديده اســت.

الزامات ديگر برای به كارگيری ايمن در اجزای سيســتم های بخار در راهنمای استاندارد فشــار 97/23/EC مشــخص گرديده كه در مورد خصوصيــات آلياژ همچنين به چکشخواری ويژه، تشــريح شده در قالب اســتحکام ضربه يا انرژی ضربه با حداقل 27 ژول، اشــاره شــده زيرا اين ويژگی به عنوان شاخص نسبی برای مقاومت به ترک درنظر گرفته میشود.

ویژگی های آلياژهای مقاوم به خزش در درجه حرارت بالا كه امکان استفاده آنها را در يک درجه حرارت خاص مشخص میكند همچنين شــامل مطالعــات بر روی پايداری ريزســاختار و خصوصيات مکانيکی تحت شــرايط آنيل آزمايشگاهی مشابه با شــرايط به كارگيری است.

آزمايش های پيرســازی در 650 تا ˚C 750 به مدت تا 5000 ســاعت تغييرات چشمگيری را در ريزساختار نشان داد كه به طور عمده يک روند به سوی تشکيل مورفولوژی غير دلخواه عمدتا كاربيدهای Cr23C6 به صورت متناوب و پيوسته در مرز دانه و مرزهای دوقلويی آســتنيت است.

اين رسوبات در مراحل اوليه پيرسازی در ˚C 650 برای 500 تا 1000 ساعت هنگام فرآيندهای فعال شــده حرارتی با جدايش كروم در نواحی ميکروســکوپی چسبيده به مرز دانه ها و به دنبال شــکل گيری كاربيد پيوسته و شبکه ای به وجود می آيند.

ساختار درشــت دانه آستنيت فولاد HR3C در شرايط اوليه و فرآيند رسوب در مــرز دانه ها و دوقلويی ها باعث ايجاد خصوصيات چکش خواری نامناســب و مقدار انرژی ضربه كمتر از 27 ژول میگردد و در مورفولوژی شکســت نيز پس از آزمايش ضربه به وضوح اين طبيعت شکســت ترد با ترک خوردن مشــاهده میشود. براساس مطالعات انجام شده، در صورت توصيه فولاد HR3C برای استفاده به عنوان لوله های سوپرهيتر در درجه حرارت حدود ˚C 650 توجه بيشتر و نياز به ادامه تحقيق قابل طرح است.

منابع:

منبع خارجی: Archives of Metallurgy and Materials Vol.61.2016

منبع فارسی: ابان ماه 1395- مجله صنعت ریخته گری

ترجمه: محمدجواد توسلی کیلانی

Dobrzański, Open Access Library, Materials science inter- pretation of the life of steels for power plants, Gliwice 2011.

Brytan, J. Niagaj, Chiang. Mai. J. Sci. 40, (5), 923-937 (2013).

A. Dobrzanski, R. Maniara, J. Sokolowski, W. Kasprzak, Krupiński, Z. Brytan, J. Mater. Process. Tech. 192, 582-587 (2007).

The Preparation of the Polish Industry for the Construction of Nuclear Power Plants, the current state of activities of the Minis- try of Economy, Warsaw 2015. Zieliński, J. Dobrzański, H. Purzyńska, G. Golański, Mater.Test. 57, 859-865 (2015).

Barglik, A. Smalcerz, R. Przyłucki, I. Dolezel, J. Comput. Appl. Math. 270, 231-240 (2014). A. Dobrzański, M. Drak, J. Alloy. Compd. 449, (1-2), 88-92 (2008).

Zieliński, M. Miczka, B. Boryczko, M. Sroka, Arch. Civ. Mech. Eng. 2016, DOI :10.1016/j.acme.2016.04.010 (in press). Zieliński, G. Golański, M. Sroka, J. Dobrzański, Mater. Sci. Tech-Lond. (2015), DOI : 10.1179/1743284715Y.0000000137 (in press).

A. Dobrzański, M. Czaja, W. Borek, K. Labisz, T. Tański, Int. J. Mater. Prod. Tec. 51, (3), 264-280 (2015).

Viswanathan, J. Henry, Program on Materials Technology for USC Coal Power Plants, ECCC Creep Conf., London (2005). Zieliński, G. Golański, M. Sroka, T. Tański, Mater. High

Temp, DOI : 10.1179/1878641315Y.0000000015 33, (1), 24- 32 (2016).

Duda, D. Rząsa, J. Therm. Sci. 24, (4), 364-369 (2015).

A. Dobrzański, W. Borek, Mater. Sci. Forum. 654-656, (1- 3), 266-269 (2010).

Tański, K. Labisz, B. Krupińska, M. Krupiński, M. Król, Iron Steel Res. Int. 21, (8), 765-773 (2014).

10. Maniara, W. Borek, J. Therm. Anal. Calorim. (2015) DOI 10.1007/s10973-015-4871-y, (in press).

Zieliński, G. Golański, M. Sroka, P. Skupień, Mater. High Temp., DOI : 10.1080/09603409.2016.1139306 33, (2), 154- 163

(2016).

Zieliński, G. Golański, M. Sroka, Kovove Mater. 54, (1), 61-70 (2016).

Krupinski, B. Krupinska, K. Labisz, Z. Rdzawski, W. Borek, J. Therm. Anal. Calorim. 118, (2), 1361-1367 (2014). Duda, D. Rząsa, Int. J. Energ. Res. 36, (6), 703–709 (2012).

A. Dobrzański, W. Sitek, M. Krupiński, J. Dobrzański, J. Mater. Process. Tech. 157, 102-106 (2004).

Zieliński, M. Miczka, M. Sroka, Mater. Sci. Tech-Lond., 2016, DOI :10.1080/02670836.2016.1150242 (in press).

Duda, Ł. Felkowski, J. Dobrzański, H. Purzyńska, Mater. High Temp. (2016), DOI : 10.1080/09603409.2015.1113021 (in press).

Bai, J. Pan, G. Chen, J. Liu, J. Wang, T. Zhang, W. Tang, Mater. Sci. Tech-Lond. 30, (2), 205-210 (2014). Erneman, M. Schwind, H.-O. Andrén, J.-O. Nilsson, A. Wilson, J. Ǻgren, Acta Mater. 54, 67-76 (2006).

PN-EN ISO 643: 2013-06, Micrographic determination of the apparent grain size. Y. Fang, J. Zhao, N.X. Li, Acta Metall. Sinica. 46, 844-849 (2010). A.N.G. Bin, Z.C. LIU , S.C. Cheng, C.M. Liu, J.Z. Wang,