30Cr2Ni4MoV鋼低壓轉(zhuǎn)子熱處理工藝的研究.pdf

1、30Cr2Ni4MoV鋼大型低壓轉(zhuǎn)子是AP1000百萬千瓦級核電機組的關(guān)鍵部件。本文圍繞低壓轉(zhuǎn)子熱處理工藝的制訂，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射、熱模擬試驗、力學(xué)性能測試等方法，研究了30Cr2Ni4MoV鋼的TTT、CCT曲線和相變動力學(xué)，詳細分析了該鋼在不同等溫溫度及冷卻速度下的組織演變規(guī)律，闡明了組織轉(zhuǎn)變的復(fù)雜性;并通過熱膨脹法、排水法、差示掃描量熱法、激光脈沖法等手段，建立了包括30Cr2Ni4MoV鋼的相變動力學(xué)、熱物理

2、性能和力學(xué)性能的數(shù)據(jù)庫。運用數(shù)值模擬與物理模擬相結(jié)合的方法，預(yù)示了多次正火工藝各個階段轉(zhuǎn)子心部的晶粒變化過程，并探討了在大型低壓轉(zhuǎn)子上采用該工藝的可行性;提出了基于部分珠光體轉(zhuǎn)變的等溫預(yù)處理細化晶粒新方法。采用溫度-相變-應(yīng)力/應(yīng)變耦合的數(shù)學(xué)模型模擬并分析了低壓轉(zhuǎn)子熱處理過程中的溫度、相變和應(yīng)力演變，為直徑1768mm和2826mm兩種典型低壓轉(zhuǎn)子制訂了鍛后熱處理和性能熱處理工藝，并結(jié)合生產(chǎn)試制結(jié)果提出了設(shè)備改造和工程實施建議。

3、　　 為了指導(dǎo)低壓轉(zhuǎn)子加熱工藝的制訂，研究了30Cr2Ni4MoV鋼的奧氏體化相變動力學(xué)。測定了0.008～20℃/s范圍內(nèi)不同加熱速率下的膨脹曲線，運用Kissinger方法進行了基于非等溫相變Johnson-Mehl-Avrami模型的動力學(xué)分析，確定了奧氏體化相變激活能Q約為2.367×106J/mol，J-M-A指數(shù)n約為0.2448，指前因子lnk0約為270.5。當(dāng)設(shè)定J-M-A方程中溫度變量為不同數(shù)值時，可獲得等溫奧氏體

4、化相變動力學(xué)曲線。該研究也表明，對于孕育期極短而難以準(zhǔn)確測定的等溫相變動力學(xué)曲線，從連續(xù)轉(zhuǎn)變動力學(xué)數(shù)據(jù)中提取是一種行之有效的方法。
　　 為了指導(dǎo)低壓轉(zhuǎn)子淬火工藝的制訂，測試分析了30Cr2Ni4MoV鋼的TTT曲線和CCT曲線與組織轉(zhuǎn)變。結(jié)果表明發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的臨界冷速為3.3℃/h，生成馬氏體及下貝氏體的臨界冷速為1℃/s。通過對連續(xù)冷卻與等溫轉(zhuǎn)變組織的對照分析，并結(jié)合TTT、CCT曲線的轉(zhuǎn)變量測算，獲得了該鋼在不同冷速下連

5、續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形貌特征和演變規(guī)律:冷速5～10℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體，其中自回火馬氏體量隨著冷速降低而逐漸增多;冷速1～2℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體及一定數(shù)量下貝氏體，碳化物顆粒隨著冷速降低而逐漸變大增多;冷速0.2～0.5℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以低溫上貝氏體和馬氏體為主;冷速0.01～0.1℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以中溫塊狀鐵素體、粒狀貝氏體和粗大的上貝氏體為主。
　　 結(jié)合組織形貌特征的觀察以及冷速與相變量的計算，研究了低壓

6、轉(zhuǎn)子不同位置上冷速、組織與硬度的關(guān)系。在淬火冷卻過程中低壓轉(zhuǎn)子不同位置處的冷速差異顯著，使它們的組織和性能也有較大區(qū)別:表面位置在中溫轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的平均冷速可達10℃/s以上，生成的馬氏體組織硬度可達500HV;心部位置冷速僅0.01℃/s左右，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中的粒狀貝氏體和中溫塊狀鐵素體會對性能產(chǎn)生不良影響，使硬度降低到370HV以下;在0.01～10℃/s范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的硬度隨著冷卻速度的降低呈逐漸減小趨勢，兩者關(guān)系曲線的拐點處的臨界冷速為

7、0.2℃/s。由此可見，不同類型的貝氏體在組織形貌和性能上存在顯著差異，不能僅以不出現(xiàn)先共析鐵素體或珠光體的臨界冷速(3.3℃/h)作為制訂低壓轉(zhuǎn)子淬火工藝的準(zhǔn)則，在實際生產(chǎn)中淬火冷速應(yīng)不低于開始出現(xiàn)粗大上貝氏體和中溫塊狀鐵素體的冷速(0.2℃/s)。
　　 為了解決熱處理過程計算機數(shù)值模擬中材料熱物性參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)缺乏的問題，本文通過系統(tǒng)的測試，建立了30Cr2Ni4MoV鋼不同組織（馬氏體、貝氏體和奧氏體）的熱物理性能（

8、熱膨脹系數(shù)、密度、比熱容、相變潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)）和力學(xué)性能（彈性模量、屈服強度、塑性模量）參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，得到了這些參數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系。并根據(jù)Greenwood-Johnson相變塑性模型，實驗測試并建立了模型參數(shù)關(guān)于等效應(yīng)力和溫度的函數(shù)關(guān)系。研究結(jié)果表明，對馬氏體相變而言，外加應(yīng)力對Ms與參數(shù)α的影響可以忽略不計;對貝氏體相變而言，孕育期ts隨著溫度的升高而顯著增大，參數(shù)n隨著溫度和等效應(yīng)力的增大而減小，參數(shù)6總體上不受等效應(yīng)力和溫度的

9、影響;馬氏體和貝氏體的相變塑性參數(shù)K分別為8.771×10-5MPa-1和8.9488×10-5MPa-1。
　　 30Cr2Ni4MoV鋼大型低壓轉(zhuǎn)子鍛后熱處理的主要目的是調(diào)整鍛后組織細化晶粒。在相變動力學(xué)與組織轉(zhuǎn)變的研究基礎(chǔ)上，探索了不同熱處理工藝的晶粒細化效果。運用有限元數(shù)值模擬與熱模擬爐物理模擬相結(jié)合的方法，對直徑2900mm低壓轉(zhuǎn)子心部在多次正火不同階段的晶粒演變過程進行研究，提出了可以滿足細化晶粒要求的多次正火工藝。

10、本文提出了基于部分珠光體轉(zhuǎn)變的等溫預(yù)處理晶粒細化創(chuàng)新工藝，實驗驗證了其對于30Cr2Ni4MoV低壓轉(zhuǎn)子的細化晶粒作用，與四次正火工藝具有相同的細化效果，且更加省時節(jié)能。本文為直徑1800mm和2900mm低壓轉(zhuǎn)予制訂了多次正火和等溫預(yù)處理兩種鍛后熱處理工藝。
　　 通過溫度-相變-應(yīng)力/應(yīng)變耦合的計算機模擬得到低壓轉(zhuǎn)子冷卻過程的溫度、組織、應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)果表明淬火冷卻數(shù)學(xué)模型中的相變應(yīng)變及相變塑性應(yīng)變因素對轉(zhuǎn)子內(nèi)應(yīng)力場演變的