[科普中國]-拉應力

拉應力對P92馬氏體鋼高溫氧化行為的影響

火力發(fā)電技術正朝著高效率、低煤耗以及高環(huán)保的方向發(fā)展，火力發(fā)電站設備中的過熱器、再熱器以及主蒸汽管線等重要部件承受的溫度和壓力越來越高，這種高溫高壓的服役環(huán)境很容易造成管材的氧化腐蝕，進而影響管材的力學性能，嚴重時還會發(fā)生爆炸、泄漏事故。材料在發(fā)生氧化腐蝕后，若表面形成的氧化膜致密無裂紋，則可能達到阻止元素擴散、限制基體繼續(xù)氧化的目的。但是在實際生產(chǎn)中，高溫承壓設備通常會受到安裝應力、自身重力、熱膨脹應力、介質(zhì)應力和相變應力等的作用，這些外力的存在極有可能使材料表面氧化膜開裂甚至剝落，導致基體繼續(xù)暴露于高溫空氣中，進一步加劇氧化腐蝕，材料的損傷也進一步加深。國內(nèi)外在高溫氧化腐蝕方面已取得了豐碩的研究成果，學者們大多將外加應力對氧化膜生長的促進作用歸因于應力能促進表面氧化膜形核、增加氧化膜中的錯位缺陷，從而增加短路擴散途徑；也有學者發(fā)現(xiàn)在一些合金中存在一個臨界應力值，當外加應力低于此應力值時，其對氧化膜的生長幾乎沒有影響，而當其高于此值時會促進氧化膜的生長，這可能是與氧化膜本身所具有的自我愈合能力有關。

P92馬氏體耐熱鋼具有較高的高溫強度、高的熱導率、較好的抗高溫蠕變性能及抗高溫氧化性能，已經(jīng)成為新一代電廠超（超）臨界機組主蒸汽管道、再熱蒸汽管道及其旁路、高溫聯(lián)箱的主要用鋼。國內(nèi)外對電站中高溫部件的氧化腐蝕都非常重視，然而國內(nèi)對P92鋼管的工程應用研究還不夠深入，僅對相關氧化動力學及氧化層形貌、成分進行了一些分析，而有關外應力作用下P92鋼高溫氧化行為的研究較少。對P92鋼在650℃空氣中于不同拉應力下進行了氧化試驗，研究了該應力對P92鋼氧化動力學及氧化層特性的影響1。

拉應力對氧化動力學的影響在不同拉應力作用下氧化不同時間后，試樣表面氧化層厚度均隨氧化時間的延長而增加，其厚度增加速率隨拉應力的增大而增加；當氧化40h時，施加拉應力的試樣表面氧化層厚度小于未施加拉應力的，且厚度隨拉應力的增加而減小，此時拉應力并沒有促進氧化的進行；當氧化時間延長到80h以后，施加拉應力的試樣表面氧化層厚度大于未施加拉應力的，且隨拉應力的增加而增大，拉應力促進了氧化的進行。試樣的氧化動力學曲線并不是簡單的拋物線，這與之前一些學者的研究有所不同，但與Swaminathan等得到的P91鋼氧化動力學曲線相似。無外加拉應力時，試樣的氧化指數(shù)為0．79757；當存在拉應力時，氧化指數(shù)增大且隨拉應力的增加而增大。

外加拉應力的引入會影響金屬中組元的活度，從而影響金屬表面的氧化速率。為了研究這種影響機制，引入了“熱力學活度”的概念。P92鋼表面氧化行為的影響機理分析可以從高溫氧化熱力學和高溫氧化動力學兩個方面展開，在氧化初始階段，P92鋼的表面氧化速率受化學反應控制，當表面形成氧化膜后，氧化膜的生長主要受氧化膜內(nèi)元素的擴散控制。在外加拉應力的作用下，P92鋼表面產(chǎn)生較多的空位和位錯，促進了氧化物的形核，表面形成了密集而細小的氧化物；氧化物的形成使氧化物晶界體積分數(shù)增大，增強了元素的短路擴散，因此氧化膜增厚速率明顯加快；應力越大，對組元短路擴散的促進越明顯，氧化膜增厚速率越快2。

拉應力對氧化層表面形貌及成分的影響在不同拉應力作用下，試樣在650℃空氣中氧化400h后，其氧化層表面都存在顆粒狀物質(zhì)，大部分為灰色顆粒，小部分為白色顆粒，EDS分析結果表明這些顆粒大部分含有氧、鐵、鉻、錳、鎢等元素；部分白色顆粒分布在氧化膜外層，其粒徑較大、分布較疏松，在拉應力不大于120MPa時，白色顆粒數(shù)量隨著拉應力的增大而增多，且氧化層表面完整無裂紋；在80MPa下氧化400h后，氧化層表面覆蓋著許多灰色顆粒狀物，內(nèi)層小顆粒緊密排列，外層大顆粒疏松排列；在120MPa下氧化400h后，氧化層表面粗糙不平整，存在許多與軸向成45°的小裂紋，說明120MPa的拉應力使氧化層發(fā)生開裂。

試樣表面鉻、鐵元素含量較高，外加拉應力的增加對鐵和鉻元素含量的影響較小，但對鎢和錳元素含量的影響較大，鎢元素含量隨著拉應力的提高逐漸增加，而錳元素含量逐漸降低。

拉應力對氧化層物相組成的影響在不同拉應力作用下，試樣在650℃空氣中氧化400h后其表面物相均由Cr2O3、Fe2O3、Fe3O4，尖晶石結構的FeCr2O4、MnCr2O4組成，說明拉應力對氧化層的物相組成影響不大。在氧化初期，試驗鋼表面的鉻與鐵氧化生成Cr2O3和Fe2O3、Fe3O4，隨著氧化時間的延長，鉻和鐵的氧化物發(fā)生反應生成難熔的尖晶石結構的FeCr2O4；尖晶石結構的MnCr2O4則由MnO 和Cr2O3反應生成1。

總結（1）在不同拉應力作用下，試驗鋼在650℃空氣中氧化不同時間后，其表面氧化層厚度均隨氧化時間的延長而增加，厚度增加速率隨拉應力的增大而增加；當氧化時間較短時，外加拉應力沒有促進氧化，其表面氧化層厚度小于未施加拉應力的；當氧化時間延長到80h以后，施加拉應力的表面氧化層厚度大于未施加拉應力的，且隨拉應力的增加而增大；氧化膜生長遵循冪函數(shù)指數(shù)關系，其氧化指數(shù)與外加拉應力成正相關。

（2）當外加拉應力不大于80MPa時，試驗鋼在650℃空氣中氧化400h后，其表面形成了致密的氧化膜，當拉應力達到120MPa后，表面氧化層出現(xiàn)了微裂紋。

（3）在不同拉應力作用下，試驗鋼在650℃空氣中氧化400h后，其表面物相均由Cr2O3、Fe2O3、Fe3O4和尖晶石結構的FeCr2O4、MnCr2O4組成，拉應力對氧化層的物相組成影響不大3。