วิวัฒนาการโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอลที่แตกต่างกัน
เหล็ก P92 ส่วนใหญ่ใช้ในหม้อไอน้ำแบบเหนือวิกฤตพิเศษ ท่อแรงดันสูงพิเศษ และอุปกรณ์อุณหภูมิสูงและแรงดันสูงอื่นๆ เหล็ก P92 มีองค์ประกอบทางเคมีของเหล็ก P91 บนพื้นฐานของการเพิ่มธาตุร่องรอยของธาตุ W และ B ลดเนื้อหาของ Mo ผ่านขอบเกรนของการเสริมความแข็งแรงและการกระจายตัวที่เสริมความแข็งแรงในหลากหลายวิธี เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของเหล็ก P92 เหล็ก P92 มีคุณสมบัติต้านทานการเกิดออกซิเดชันและความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีกว่าเหล็ก P91 กระบวนการทำงานร้อนมีความจำเป็นสำหรับการผลิตท่อเหล็ก P92 เทคโนโลยีการประมวลผลความร้อนสามารถขจัดข้อบกพร่องภายในที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิตและทำให้ประสิทธิภาพของเหล็กตอบสนองความต้องการของสภาพการทำงาน ประเภทและสถานะขององค์กรในกระบวนการทำงานร้อนเป็นปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐาน ดังนั้น เอกสารนี้จึงวิเคราะห์การจัดระเบียบของท่อเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอลที่แตกต่างกัน เพื่อเปิดเผยวิวัฒนาการของการจัดระเบียบของท่อเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิต่างๆ ซึ่งไม่เพียงแต่ให้ข้อมูลสนับสนุนสำหรับการวิเคราะห์การจัดระเบียบและการควบคุมประสิทธิภาพของกระบวนการทำงานร้อนจริงเท่านั้น แต่ยังวางรากฐานเชิงการทดลองสำหรับการพัฒนาของกระบวนการทำงานร้อนอีกด้วย
1. วัสดุและวิธีการทดสอบ
1.1 วัสดุทดสอบ
เหล็กที่ทดสอบคือท่อเหล็ก P92 ที่อยู่ในสภาพการใช้งาน (ชุบแข็งที่ 1060℃ + อบคืนตัวที่ 760℃) และองค์ประกอบทางเคมีแสดงอยู่ในตารางที่ 1 ตัวอย่างทรงกระบอกขนาด ϕ4 มม. × 10 มม. ถูกตัดที่ส่วนตรงกลางของท่อที่เสร็จแล้วในตำแหน่งเฉพาะตามทิศทางความยาว และใช้เครื่องวัดการขยายตัวของการดับเพื่อศึกษาการเปลี่ยนแปลงของเนื้อเยื่อที่อุณหภูมิต่างกัน
ตารางที่ 1 องค์ประกอบทางเคมีหลักของเหล็ก P92 ตามเศษส่วนมวล (%)
| องค์ประกอบ |
ค |
ศรี |
มน |
Cr |
นิ |
โม |
วี |
อัล |
บี |
ไม่มี |
ว |
เฟ |
| % |
0.13 |
0.2 |
0.42 |
8.67 |
0.25 |
0.48 |
0.19 |
0.008 |
0.002 |
0.05 |
1.51 |
สมดุล |
1.2 กระบวนการทดสอบ
การใช้เครื่องวัดการขยายตัวทางความร้อนแบบดับ L78 ทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 0.05 ℃/s เป็นอุณหภูมิฉนวน 1,050 ℃ ในเวลา 15 นาที และเย็นลง 200 ℃/s ที่อุณหภูมิห้อง วัดจุดวิกฤตของการเปลี่ยนเฟสของวัสดุ Ac1 คือ 792.4℃, Ac3 คือ 879.8℃, Ms คือ 372.3℃ ตัวอย่างถูกทำให้ร้อนถึง 1,050°C ด้วยอัตรา 10°C/วินาที และคงไว้เป็นเวลา 15 นาที จากนั้นจึงทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่างๆ (770, 740, 710, 680, 650, 620, 520, 430, 400, 370, 340, 310, 280, 250, 190 และ 160°C) ด้วยอัตรา 150°C/วินาที และคงไว้เป็นระยะเวลาต่างๆ (620°C หรือต่ำกว่าเป็นเวลา 1 ชั่วโมง 620°C หรือสูงกว่าเป็นเวลา 25 ชั่วโมง) 620 ℃ หรือสูงกว่าเป็นเวลา 25 ชั่วโมง ปิดแหล่งจ่ายไฟเพื่อให้ตัวอย่างเย็นลงด้วยอากาศจนถึงอุณหภูมิห้อง 1.3 วิธีการทดสอบ
หลังจากการเจียรและขัดผิวชิ้นงานภายใต้กระบวนการต่าง ๆ แล้ว พื้นผิวของชิ้นงานจะถูกกัดกร่อนโดยใช้กรดกัดกร่อน ใช้กล้องจุลทรรศน์ Zeiss AXIOVERT 25 และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดด้านสิ่งแวดล้อม QWANTA 450 เพื่อสังเกตและวิเคราะห์โครงสร้าง โดยใช้เครื่องทดสอบความแข็ง Vickers รุ่น HVS-50 (น้ำหนักบรรทุก 1 กก.) วัดความแข็งที่ตำแหน่งต่าง ๆ บนพื้นผิวของชิ้นงานแต่ละชิ้น และค่าเฉลี่ยจะถูกนำมาเป็นค่าความแข็งของชิ้นงาน
2. ผลการทดสอบและการวิเคราะห์
2.1 การจัดระเบียบและการวิเคราะห์อุณหภูมิไอโซเทอร์มอลที่แตกต่างกัน
รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก P92 หลังจากออสเทนไนต์เสร็จสมบูรณ์ที่ 1,050°C ในเวลาต่างๆ ที่อุณหภูมิต่างๆ รูปที่ 1(a) แสดงโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก P92 หลังจากการทำให้เป็นอุณหภูมิคงที่ที่ 190℃ เป็นเวลา 1 ชั่วโมง จากรูปที่ 1(a2) จะเห็นได้ว่าโครงสร้างที่อุณหภูมิห้องคือมาร์เทนไซต์ (M) จากรูปที่ 1(a3) จะเห็นได้ว่ามาร์เทนไซต์มีลักษณะเหมือนไม้ระแนง เนื่องจากจุด Ms ของเหล็กอยู่ที่ประมาณ 372°C การเปลี่ยนเฟสของมาร์เทนไซต์จึงเกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่ต่ำกว่าจุด Ms ทำให้เกิดมาร์เทนไซต์ และปริมาณคาร์บอนของเหล็ก P92 อยู่ในช่วงขององค์ประกอบคาร์บอนต่ำ มาร์เทนไซต์มีสัณฐานคล้ายไม้ระแนง
รูปที่ 1(a) แสดงโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก P92 หลังจากอุณหภูมิคงที่ 1 ชั่วโมงที่ 190°C
รูปที่ 1(b) สำหรับโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 430 ℃ เป็นเวลา 1 ชั่วโมง เมื่ออุณหภูมิไอโซเทอร์มอลเพิ่มขึ้นเป็น 430°C เหล็ก P92 จะไปถึงโซนการเปลี่ยนรูปเบไนต์ เนื่องจากเหล็กมีธาตุ Mo, B และ W ธาตุเหล่านี้จึงมีผลเพียงเล็กน้อยต่อการเปลี่ยนรูปเบไนต์ในขณะที่ทำให้การเปลี่ยนรูปเพิร์ลไลต์ล่าช้า ดังนั้น เหล็ก P92 ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 430 ℃ เป็นเวลา 1 ชั่วโมง จึงมีการจัดระเบียบเบไนต์จำนวนหนึ่ง จากนั้นออสเทไนต์ที่เย็นจัดที่เหลือจะถูกเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์เมื่อทำการระบายความร้อนด้วยอากาศ
รูปที่ 1(b) สำหรับโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิ 430 ℃ ไอโซเทอร์มอล 1 ชั่วโมง
รูปที่ 1(c) แสดงโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 520 ℃ เป็นเวลา 1 ชั่วโมง เมื่ออุณหภูมิไอโซเทอร์มอลอยู่ที่ 520 ℃ ธาตุโลหะผสม Cr, Mo, Mn เป็นต้น จะถูกยับยั้งการเปลี่ยนแปลงเพิร์ลไลต์ จุดเริ่มของการเปลี่ยนแปลงเบไนต์ (จุด Bs) จะลดลง ดังนั้นในช่วงอุณหภูมิเฉพาะ โซนการทำให้เสถียรของออสเทไนต์ที่เย็นจัดจะปรากฏขึ้น รูปที่ 1(c) จะเห็นได้ที่อุณหภูมิ 520 ℃ ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 1 ชั่วโมงหลังจากออสเทไนต์ที่เย็นจัดไม่เกิดขึ้นหลังจากการเปลี่ยนแปลง ตามด้วยการทำให้เย็นลงด้วยอากาศเพื่อสร้างมาร์เทนไซต์ การจัดระเบียบอุณหภูมิห้องขั้นสุดท้ายคือมาร์เทนไซต์
รูปที่ 1(c) แสดงโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 520 ℃ 1 ชั่วโมง
รูปที่ 1 (d) สำหรับโครงสร้างจุลภาคแบบไอโซเทอร์มอล 25 ชั่วโมงของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิ 650 ℃ สำหรับมาร์เทนไซต์ + เพิร์ลไลต์ ตามที่แสดงในรูปที่ 1 (d3) เพิร์ลไลต์แสดงลักษณะของแผ่นที่ไม่ต่อเนื่อง และคาร์ไบด์บนพื้นผิวแสดงการตกตะกอนของแท่งสั้น เนื่องมาจากธาตุโลหะผสมเหล็ก P92 ได้แก่ Cr, Mo, V เป็นต้น เพื่อปรับปรุงเสถียรภาพของออสเทไนต์ที่เย็นจัดในเวลาเดียวกัน ทำให้สัณฐานวิทยาของเพิร์ลไลต์เหล็ก P92 เปลี่ยนแปลงไป นั่นคือ คาร์ไบด์ในตัวเพิร์ลไลต์ของคาร์ไบด์สำหรับแท่งสั้น ตัวเพิร์ลไลต์นี้เรียกว่าคลาสเพิร์ลไลต์ ในเวลาเดียวกัน พบอนุภาคเฟสที่สองละเอียดจำนวนมากในองค์กร
รูปที่ 1 (d) สำหรับโครงสร้างจุลภาคแบบไอโซเทอร์มอล 25 ชั่วโมงของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิ 650 ℃ สำหรับมาร์เทนไซต์ + เพิร์ลไลต์
รูปที่ 1(e) แสดงโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 740 ℃ เป็นเวลา 25 ชั่วโมง ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 740°C จะมีการตกตะกอนเฟอร์ไรต์มวลยูเทกติกก่อน จากนั้นจึงเกิดการสลายตัวยูเทกติกออสเทไนต์ ส่งผลให้เกิดโครงสร้างคล้ายเพิร์ลไลต์ เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างไอโซเทอร์มอล 650°C (ดูรูปที่ 1(d3)) โครงสร้างเพิร์ลไลต์จะหยาบขึ้นเมื่ออุณหภูมิไอโซเทอร์มอลเพิ่มขึ้น และลักษณะสองเฟสของเพิร์ลไลต์ คือ เฟอร์ไรต์และคาร์บูไรต์ในรูปแท่งสั้น สามารถมองเห็นได้ชัดเจน
รูปที่ 1(e) แสดงโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 25 ชั่วโมงที่ 740 ℃
รูปที่ 1(f) แสดงโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 770°C เป็นเวลา 25 ชั่วโมง ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 770°C เมื่อเวลาไอโซเทอร์มอลขยายออกไป จะเกิดการตกตะกอนของเฟอร์ไรต์ก่อน จากนั้นออสเทไนต์ที่เย็นจัดจะสลายตัวแบบยูเทกติกเพื่อสร้างโครงสร้างเฟอร์ไรต์ + เพิร์ลไลต์ เมื่ออุณหภูมิไอโซเทอร์มอลเพิ่มขึ้น ปริมาณเฟอร์ไรต์ยูเทกติกแรกจะเพิ่มขึ้น และปริมาณเพิร์ลไลต์จะลดลง เนื่องจากธาตุโลหะผสมเหล็ก P92 ทำให้ธาตุโลหะผสมละลายเข้าไปในออสเทไนต์เพื่อเพิ่มความสามารถในการแข็งตัวของออสเทไนต์ ทำให้การสลายตัวแบบยูเทกติกมีความยากลำบากมากขึ้น ดังนั้นจะต้องมีเวลาไอโซเทอร์มอลที่ยาวนานเพียงพอเพื่อให้เกิดการสลายตัวแบบยูเทกติก ซึ่งก็คือการก่อตัวของโครงสร้างเพิร์ลไลต์
รูปที่ 1(f) แสดงโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิคงที่ 770°C เป็นเวลา 25 ชั่วโมง
การวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานดำเนินการกับเนื้อเยื่อที่มีสัณฐานวิทยาที่แตกต่างกันในรูปที่ 1(f2) เพื่อระบุประเภทของเนื้อเยื่อเพิ่มเติมตามที่แสดงในตารางที่ 2 จากตารางที่ 2 จะเห็นได้ว่าปริมาณคาร์บอนของอนุภาคสีขาวสูงกว่ากลุ่มอื่น และธาตุโลหะผสม Cr, Mo และ V มีมากกว่า โดยวิเคราะห์อนุภาคนี้สำหรับอนุภาคคาร์ไบด์คอมโพสิตที่ตกตะกอนในระหว่างกระบวนการระบายความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว ปริมาณคาร์บอนในกลุ่มแผ่นไม่ต่อเนื่องจะรองลงมาเป็นปริมาณต่ำที่สุด และปริมาณคาร์บอนในกลุ่มมวลจะน้อยที่สุด เนื่องจากเพิร์ลไลต์เป็นกลุ่มสองเฟสของคาร์บูไรซ์และเฟอร์ไรต์ ปริมาณคาร์บอนโดยเฉลี่ยจึงสูงกว่าเฟอร์ไรต์ เมื่อรวมกับการวิเคราะห์อุณหภูมิและสัณฐานวิทยาแบบไอโซเทอร์มอล ก็จะระบุเพิ่มเติมได้ว่ากลุ่มแผ่นมีลักษณะคล้ายเพิร์ลไลต์ และกลุ่มมวลเป็นเฟอร์ไรต์ยูเทกติกอันดับแรก
การวิเคราะห์สเปกตรัมของเหล็ก P92 ที่ผ่านการบำบัดแบบอุณหภูมิคงที่ที่ 770 °C เป็นเวลา 25 ชั่วโมง เขียนในรูปแบบตารางโดยใช้เศษส่วนอะตอม (%)
| โครงสร้าง |
ค |
ไม่มี |
โม |
Ti |
วี |
Cr |
มน |
เฟ |
ว |
| เม็ดสีขาว |
11.07 |
0.04 |
0.94 |
0.02 |
2.16 |
8.36 |
2.64 |
54.77 |
2.84 |
| โครงสร้างแบบบล็อค |
9.31 |
0.04 |
0.95 |
0.2 |
0.32 |
8.42 |
0.74 |
85.51 |
10.21 |
| โครงสร้างแบบหลายชั้น |
5.1 |
0 |
0.09 |
0.1 |
0.33 |
7.3 |
0.35 |
85.65 |
0.69 |
2.2 ความแข็งระดับจุลภาคและการวิเคราะห์
โดยทั่วไปแล้ว ในระหว่างกระบวนการระบายความร้อนของเหล็กอัลลอยด์ที่มีองค์ประกอบเช่น W และ Mo การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างสามประเภทเกิดขึ้นในออสเทไนต์ที่เย็นจัด: การเปลี่ยนแปลงมาร์เทนไซต์ในโซนอุณหภูมิต่ำ การเปลี่ยนแปลงเบไนต์ในโซนอุณหภูมิปานกลาง และการเปลี่ยนแปลงเพิร์ลไลต์ในโซนอุณหภูมิสูง การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่แตกต่างกันนำไปสู่ความแข็งที่แตกต่างกัน รูปที่ 2 แสดงความแปรผันของเส้นโค้งความแข็งของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอลที่แตกต่างกัน จากรูปที่ 2 จะเห็นได้ว่าเมื่ออุณหภูมิไอโซเทอร์มอลเพิ่มขึ้น ความแข็งจะแสดงแนวโน้มของการลดลงก่อน จากนั้นเพิ่มขึ้น และสุดท้ายลดลง เมื่ออุณหภูมิไอโซเทอร์มอลอยู่ที่ 160 ~ 370 ℃ การเปลี่ยนแปลงมาร์เทนไซต์จะเกิดขึ้น ความแข็งวิกเกอร์สจะเปลี่ยนจาก 516HV เป็น 457HV เมื่ออุณหภูมิไอโซเทอร์มอลอยู่ที่ 400 ~ 620 ℃ การเปลี่ยนแปลงเบไนต์ในปริมาณเล็กน้อยจะเกิดขึ้น และความแข็งของ 478HV จะเพิ่มขึ้นเป็น 484HV เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเบไนต์ในปริมาณเล็กน้อย ความแข็งจึงไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก เมื่ออุณหภูมิไอโซเทอร์มอลอยู่ที่ 650 ℃ จะเกิดเพิร์ลไลต์จำนวนเล็กน้อย โดยมีความแข็ง 410HV เมื่ออุณหภูมิไอโซเทอร์มอลอยู่ที่ 680 ~ 770 ℃ การก่อตัวของการจัดระเบียบเฟอร์ไรต์ + เพิร์ลไลต์ ความแข็งจาก 242HV เป็น 163HV เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิต่างๆ ในการจัดระเบียบการเปลี่ยนแปลงจะแตกต่างกัน ในบริเวณของการเปลี่ยนแปลงมาร์เทนไซต์ที่อุณหภูมิต่ำ เมื่ออุณหภูมิไอโซเทอร์มอลต่ำกว่าจุด Ms เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ปริมาณมาร์เทนไซต์จะลดลง ความแข็งจะลดลง ในช่วงกลางของการเปลี่ยนแปลงของเหล็ก P92 ในอุณหภูมิที่ต่างกัน เมื่ออุณหภูมิไอโซเทอร์มอลต่ำกว่าจุด Ms เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เนื้อหาของมาร์เทนไซต์จะลดลง ความแข็งจะลดลง ในบริเวณการเปลี่ยนแปลงของเบไนต์ที่อุณหภูมิปานกลาง เนื่องจากปริมาณการเปลี่ยนแปลงของเบไนต์มีน้อย ความแข็งจึงไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก ในบริเวณการเปลี่ยนแปลงเพิร์ลไลต์ที่อุณหภูมิสูง เมื่ออุณหภูมิไอโซเทอร์มอลเพิ่มขึ้น เนื้อหาเฟอร์ไรต์ยูเทกติกแรกจะเพิ่มขึ้น ทำให้ความแข็งลดลงอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น เมื่ออุณหภูมิไอโซเทอร์มอลเพิ่มขึ้น ความแข็งของวัสดุมักจะมีแนวโน้มลดลง และแนวโน้มของการเปลี่ยนแปลงความแข็งและการวิเคราะห์ขององค์กรก็สอดคล้องกับแนวโน้มดังกล่าว
การเปลี่ยนแปลงของกราฟความแข็งของเหล็ก P92 ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอลที่แตกต่างกัน
3. บทสรุป
1) จุดวิกฤต Ac1 ของเหล็ก P92 คือ 792.4 ℃, Ac3 คือ 879.8 ℃ และ Ms คือ 372.3 ℃
2) เหล็ก P92 ที่อุณหภูมิไอโซเทอร์มอลต่างกันเพื่อให้ได้โครงสร้างที่อุณหภูมิห้องที่แตกต่างกัน ในอุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 160 ~ 370 ℃ 1 ชั่วโมง โครงสร้างที่อุณหภูมิห้องคือมาร์เทนไซต์ ในอุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 400 ~ 430 ℃ 1 ชั่วโมง โครงสร้างที่มีเบไนต์ + มาร์เทนไซต์จำนวนเล็กน้อย ในอุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 520 ~ 620 ℃ 1 ชั่วโมง โครงสร้างค่อนข้างเสถียร ช่วงเวลาสั้นๆ (1 ชั่วโมง) ไม่เกิดขึ้นภายในการเปลี่ยนแปลง โครงสร้างที่อุณหภูมิห้องคือมาร์เทนไซต์ ในอุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 650 ℃ 25 ชั่วโมง โครงสร้างที่อุณหภูมิห้องคือเพิร์ลไลต์ h โครงสร้างที่อุณหภูมิห้องสำหรับเพิร์ลไลต์ + มาร์เทนไซต์ ในอุณหภูมิไอโซเทอร์มอล 680 ~ 770 ℃ 25 ชั่วโมง โครงสร้างจะเปลี่ยนเป็นเพิร์ลไลต์ + เฟอร์ไรต์ยูเทกติกแรก
3) การออสเทนไนต์ของเหล็ก P92 ใน Ac1 ต่ำกว่าอุณหภูมิคงที่ เมื่ออุณหภูมิคงที่ลดลง ความแข็งของวัสดุโดยรวมมีแนวโน้มเพิ่มขึ้น อุณหภูมิคงที่อยู่ที่ 770 ℃ หลังจากการเกิดการตกตะกอนเฟอร์ไรต์ยูเทกติกครั้งแรก การเปลี่ยนแปลงแบบเพิร์ลไลต์ ความแข็งต่ำที่สุด ประมาณ 163HV อุณหภูมิคงที่อยู่ที่ 160 ℃ หลังจากการเกิดการเปลี่ยนแปลงแบบมาร์เทนไซต์ ความแข็งสูงที่สุด ประมาณ 516HV
