CN103308372B - 基于透射电子显微镜的t91钢老化评级方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于透射电子显微镜的T91钢老化评级方法，包括步骤：步骤1，获取待评级试样和原始试样的透射电子显微镜图；步骤2，统计待评级试样和原始试样的透射电子显微镜图中晶界碳化物颗粒数目及尺寸；步骤3，基于待评级试样和原始试样的透射电子显微镜图中晶界碳化物颗粒的尺寸差异，对待评级试样的老化程度进行评级。本发明方法能准确评估T91钢在使用中的老化情况，为使用T91钢的部件的检修更换提供直观、科学的依据。

Description

基于透射电子显微镜的T91钢老化评级方法

技术领域

本发明属于钢铁老化评定技术领域，具体涉及一种基于透射电子显微镜（TEM）的T91钢老化状态评级办法。

背景技术

T91作为新型高Cr铁素体耐热钢的代表钢种，广泛应用于超临界机组锅炉过热器管、再热器管等关键部件。实际应用和模拟实验表明T91钢在高温高压下长期服役后，微观组织和结构会发生退化，蠕变强度急剧下降，使得使用寿命远低于设计寿命。其中微观组织变化包含以下几个方面：1）晶粒长大：长时间服役使得钢中的细小晶粒随时间而逐渐长大，晶粒长大使得晶界减少，强度下降，力学性能降低；2）马氏体板条宽化：宽化的马氏体板条减少了板条界与板条束的强化效果；3）位错密度减小：长时间运行，在应力作用小，位错将发生移动，不具有颗粒钉扎作用的位错（自由位错）会逐渐移动，发生聚集，聚集后的位错形成亚晶界，使得位错密度下降，位错强化作用下降；4）M₂₃C₆（M=Cr）碳化物粗化聚集。

M₂₃C₆在原始试样中为细小弥散分布，起到弥散强化的作用，是T91钢具有优秀强度的主要原因；但M₂₃C₆相在应力与高温下并不稳定，原有的细小碳化物融合形成大颗粒，同时，合金元素Cr会经过扩散由基体进入析出相，逐渐长大。该析出过程使得基体中合金元素减少，合金元素在基体中起到固溶强化作用，同时M₂₃C₆碳化物颗粒为硬脆相，一定尺寸的碳化物颗粒汇成裂纹源和蠕变孔洞产生处。因而由扩散完成的颗粒长大过程减弱了基体的固溶强化作用，也为裂纹及蠕变孔洞提供了起源，成为材料脆断的主要原因。T91钢的优良高温力学性能源于其微观结构中的固溶强化、位错强化和弥散强化作用，而其中最为重要的是弥散强化作用。

弥散强化主要依赖于强化相M₂₃C₆碳化物和MX(M=Nb或V，X=C或N)碳氮化合物的析出。研究表明，M₂₃C₆相中的Cr其生成热较低，因而为不稳定相；而MX为V或Nb形成相，从热力学上更为稳定。透射电镜能谱表明随着时间延长，M₂₃C₆相尺寸和成分均发生明显变化。近年来，有实验利用扫描电子显微镜和金相定量的方法研究T91钢老化，发现M₂₃C₆碳化物颗粒尺寸随老化变化明显，同时引起力学性能的明显变化。这些变化导致T91钢的使用寿命减短。评估T91钢的使用寿命，对于使用T91钢的管道的更换及检修具有十分重要的指导意义，能为电厂减少事故，节省检修成本。

当前采用的T91钢寿命评估办法主要有两种：一种是定量金相法，依据Ostwald熟化公式计算T91钢的已使用时间及剩余寿命；第二种方法是采用Larson-Miller参数法评估T91钢使用寿命。这两种方法分别从T91钢组织改变的微观表征与宏观表现方面预测管道寿命。依据上述两种寿命评估方法可知，碳化物颗粒的尺寸分布能够很好地用于评定T91钢的老化程度。利用碳化物颗粒尺寸分布，与原始试样对比，进行分级评定。按级评定老化程度能直观提供钢材使用情况，为部件检修单位提供直接依据。

当前老化状态评级办法都是以碳化物定量金相法为基础，一种是基于颗粒平均尺寸进行评级，另一种是利用碳化物颗粒占图片面积的比例进行评定。评定依靠待评定试样的一组SEM（扫描电镜）图，采用比较平均值的办法进行。该老化状态评级办法简单且成本低廉，但却存在如下问题：

1）定量时准确性不佳：采用SEM图进行二值化处理时，扫描图中碳化物与基体之间的衬度不会十分明显；另外当碳化物在晶界处聚集明显时，难以区分聚集的多个颗粒，因此，二值化处理时，很难做到只对碳化物颗粒进行二值化，因而产生错误统计以及遗漏统计的问题，使得统计结果不准确。

2）定量对象不准确：实验研究表明粗化聚集主要表现于晶界处碳化物，晶内碳化物一般相对稳定，上述方法未区分晶界处和晶内碳化物，对晶界处和晶内碳化物进行笼统统计，不能针对性能下降的直接原因进行统计处理，导致定量对象不准确。

3）评定标准不科学：现有方法都是利用统计的平均尺寸来评定老化程度，一方面忽视了不同位置碳化物尺寸上的差异，T91钢的性能演变主要体现在晶界碳化物粗化上，晶内碳化物尺寸相对于晶界碳化物而言较小。另一方面忽视了同类型碳化物在尺寸上的大小差异，实际研究表明，即便碳化物平均尺寸不大，但在存在某些大颗粒的情况下，这些大颗粒会成为脆断的主要原因，导致材料性能剧变。可见，采用平均尺寸作为标准来评定老化程度并不能真实反应材料老化损伤情况。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于透射电子显微镜的T91钢老化评级方法，该方法能更准确的评估出T91钢的真实老化程度。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于透射电镜的T91耐热钢的老化评级方法，包括步骤：

步骤1，获取待评级试样和原始试样的透射电子显微镜图；

步骤2，统计待评级试样和原始试样的透射电子显微镜图中晶界碳化物颗粒数目及尺寸；

步骤3，基于待评级试样和原始试样的透射电子显微镜图中晶界碳化物颗粒的尺寸差异，对待评级试样的老化程度进行评级。

步骤1依次包括以下子步骤：

1.1从待评级部件的不同位置分别取样，获得不少于2个的待评级试样；从与待评级部件材料相同的供货态产品上获取原始试样；

1.2采用金相砂纸打磨试样使试样厚度达到70μm，然后采用电解双喷减薄试样至满足透射电镜要求，所述的试样包括待评级试样和原始试样；

1.3采用透射电子显微镜获取待评级试样和原始试样的透射电子显微镜图。

步骤2进一步包括以下子步骤：

2.1采用抠图工具从透射电子显微镜图中提取晶界碳化物颗粒，得到透射电子显微镜图对应的晶界碳化物颗粒图像；

2.2二值化处理晶界碳化物颗粒图像后，采用Image-J工具统计晶界碳化物颗粒图像中的晶界碳化物颗粒数目及尺寸。

步骤3进一步包括以下子步骤：

3.1按尺寸从小到大对待评级试样的晶界碳化物颗粒进行排序，以晶界碳化物颗粒排序序号和晶界碳化物颗粒总数之比为横坐标、以晶界碳化物颗粒尺寸为纵坐标绘制待评级试样的晶界碳化物尺寸分布图；

3.2按尺寸从小到大对原始试样的晶界碳化物颗粒进行排序，以晶界碳化物颗粒排序序号和晶界碳化物颗粒总数之比为横坐标、以晶界碳化物颗粒尺寸为纵坐标，在评级试样的晶界碳化物尺寸分布图的同一坐标系中绘制原始试样的晶界碳化物尺寸分布图；

3.3根据待评级试样和原始试样的晶界碳化物尺寸分布图获取待评级试样和原始试样的晶界碳化物的尺寸差，从而获得待评级试样的老化评级结果。

步骤3.3中所述的根据待评级试样和原始试样的晶界碳化物尺寸分布图获取待评级试样和原始试样的晶界碳化物颗粒尺寸差，具体为：

采用来量化待评级试样和原始试样的晶界碳化物颗粒尺寸差，并基于η值中的最大值η_max来获得待评级试样的老化评级结果，其中，Y和Y₀分别表示横坐标相同的待评级试样和原始试样的晶界碳化物颗粒尺寸。

所述的基于η值中的最大值η_max来获得待评级试样的老化评级结果，η_max值越大表示老化程度越大，具体为：

当0≤η_max≤30%时，则待评级试样为一级老化，表明老化几乎刚刚开始；

当30%＜η_max≤60%时，则待评级试样为二级老化，老化碳化物尺寸变化不大；

当60%＜η_max≤80%时，则待评级试样为三级老化，老化碳化物尺寸变化明显，但钢材使用性能无明显下降；

当80%＜η_max≤100%时，则待评级试样为四级老化，碳化物长大明显，钢材性能开始逐渐下降；

当η_max＞100%，则待评级试样为五级老化，钢材老化严重，性能剧烈下降，应当定时检查相关部件；

不管η_max值是多少，只要待评级试样中10%及以上的晶界碳化物颗粒平均尺寸为原试样中晶界碳化物颗粒评价尺寸的三倍及以上，则待评级试样为五级老化。

与现有技术相比，本发明方法不但能够准确定量晶界碳化物颗粒尺寸，而且还针对晶界碳化物颗粒聚集对T92钢性能的影响，制定了一种更恰当的评级办法。本发明方法能准确评估T91钢在使用中的老化情况，为使用T91钢的部件的检修更换提供直观、科学的依据。

本发明具有如下主要优点：

1、视场足够大

本发明办法采用多个试样进行统计工作，弥补了透射电镜视场较小的不足，使晶界碳化物颗粒的统计更接近真实情况。

2、统计更为精确

首先，基于透射电子显微镜图进行抠图统计，使得透射电子显微镜图片中晶界碳化物颗粒与基体之间的差别更明显；其次，分别统计各透射电子显微镜图中晶界碳化物颗粒尺寸，保证统计的准确性，不会产生SEM整体统计中的错判与误判。

3、评估方法更合理

本发明采用晶界碳化物颗粒整体尺寸分布变化来对老化程度进行分级，避开了晶内碳化物对于尺寸的影响，同时也避免了平均尺寸所掩饰的尺寸大小差距的问题。

附图说明

图1为待评级试样的透射电子显微镜图；

图2为晶界碳化物颗粒图像；

图3为二值化后的晶界碳化物颗粒图像；

图4为待评级试样和原始试样的晶界碳化物尺寸分布曲线；

图5为老化评级分区示意图。

具体实施方式

下面将对本发明的具体实施进行详细说明。下文中提到的试样包括待评级试样和原始试样。

本发明基于透射电子显微镜的T91钢老化评级方法，其具体实施方式如下：

步骤1，获取待评级试样和原始试样的透射电子显微镜图。

该步骤依次包括以下子步骤：

1.1获取试样

从待评级部件的不同位置分别取样，获得待评级试样，所获取的待评级试样数量不少于2个。从与待评级试样材料相同的供货态产品上获取原始试样。

1.2试样预处理

对待评级试样和原始试样分别进行预处理，具体为：

采用金相砂纸打磨待评级试样和原始试样，使待评级试样和原始试样厚度达到约70μm；然后，采用电解双喷减薄待评级试样和原始试样至满足透射电镜要求。

1.3获取试样的透射电子显微镜图

采用透射电子显微镜获取待评级试样和原始试样的透射电子显微镜图，针对各试样均获取多个视场图片。可根据试样的透射电子显微镜图中碳化物颗粒大小选择合适的放大倍数，以保证透射电子显微镜图内碳化物颗粒清晰且数量更多。

步骤2，分别统计待评级试样和原始试样的透射电子显微镜图中晶界碳化物颗粒数量及各晶界碳化物颗粒尺寸。

该步骤依次包括以下子步骤：

2.1获取晶界碳化物颗粒图像。

采用图片编辑器打开试样的透射电子显微镜图，见图1，图中黑色颗粒为碳化物颗粒，且晶界明显，从试样的透射电子显微镜图中可清晰辨别晶界晶碳化物颗粒和晶内碳化物颗粒的大小及分布情况。

从试样的透射电子显微镜图将晶界碳化物颗粒提取出来，具体可采用如下方法：

采用Photoshop工具打开试样的透射电子显微镜图，新建与透射电子显微镜图大小一样的新图层，并将该新图层命名为晶界碳化物。将透射电子显微镜图中的标尺放入新建图层中，采用抠图工具将透射电子显微镜图中的晶界碳化物按照其在原始图片中的大小粘贴到对应的新建图层中，合并两图层中的可见图层之后保存图片，即获得晶界碳化物颗粒图像，见图2。

针对各幅透射电子显微镜图，采用上述方法分别从各透射电子显微镜图中提取出其中的晶界碳化物颗粒，并形成各幅透射电子显微镜图对应的晶界碳化物颗粒图像。

2.2统计晶界碳化物颗粒图像中晶界碳化物颗粒的数量和尺寸。

采用Image-J工具校正晶界碳化物颗粒图像中的标尺；然后，二值化处理晶界碳化物颗粒图像，将图像中衬度较大的区域显示为同一颜色，即可明显区分图像中的晶界碳化物颗粒和背景。采用Image-J工具统计二值化处理后的晶界碳化物颗粒图像中的黑色碳化物颗粒数目及各黑色碳化物颗粒尺寸。

采用上述方法分别统计各晶界碳化物颗粒图像中晶界碳化物颗粒数目及尺寸。

步骤3，基于待评级试样和原始试样的透射电子显微镜图中各晶界碳化物颗粒的尺寸差异，对待评级试样的老化程度进行评级。

3.1根据晶界碳化物颗粒图像中晶界碳化物颗粒的统计结果获取待评级试样和原始试样的晶界碳化物尺寸分布图。

按尺寸从小到大对待评级试样的所有晶界碳化物颗粒图像中晶界碳化物颗粒进行排序，以晶界碳化物颗粒排序序号和晶界碳化物颗粒总数之比为横坐标、以晶界碳化物颗粒尺寸为纵坐标绘制待评级试样的晶界碳化物尺寸分布图，见图4。

例如，统计待评级试样的所有晶界碳化物颗粒图像中晶界碳化物颗粒数量为5个，该5个晶界碳化物颗粒尺寸分别为78、90、85、140、138，按尺寸从小到大进行排序：78、85、90、138、140，则尺寸分别为78、85、90、138、140的晶界碳化物颗粒的排序序号分别为1、2、3、4、5，则该5个晶界碳化物颗粒对应的横坐标分别为1/5、2/5、3/5、4/5、1，以各晶界碳化物颗粒尺寸为纵坐标即可绘制待评级试样的晶界碳化物尺寸分布图。

原始试样的晶界碳化物尺寸分布图的绘制方法同待评级试样晶界碳化物尺寸分布图的绘制，在此不做赘述。待评级试样和原始试样的晶界碳化物尺寸分布图绘制在同一坐标系中。

3.2根据待评级试样和原始试样的晶界碳化物尺寸分布图获取待评级试样和原始试样中晶界碳化物的尺寸差，从而获得待评级试样的老化评级结果。

本具体实施中，采用公式来量化待评级试样和原始试样中晶界碳化物的尺寸差，其中，Y和Y₀分别横坐标相同的待评级试样和原始试样的晶界碳化物尺寸。

根据公式可获取一系列η值，采用η值中的最大值η_max来获得待评级试样的老化评级结果：

当0≤η_max≤30%时，则待评级试样为一级老化；

当30%＜η_max≤60%时，则待评级试样为二级老化；

当60%＜η_max≤80%时，则待评级试样为三级老化；

当80%＜η_max≤100%时，则待评级试样为四级老化；

当η_max＞100%，则待评级试样为五级老化；

不管η_max值是多少，只要待评级试样中10%及以上的晶界碳化物颗粒平均尺寸为原试样中晶界碳化物颗粒评价尺寸的三倍及以上，则待评级试样为五级老化。

本具体实施中还提供了一种可更直观获取待评级试样的老化评级结果的方法：

分别令η为4个极限值，即30%、60%、80%和100%，在待评级试样和原始试样的晶界碳化物尺寸分布图的坐标系中分别绘制4条分级曲线，从而可获得5个老化评级分区，见图2，待评级试样的晶界碳化物尺寸分布图位于哪级分区则其老化程度为该级。图5中的待评级试样属于5级老化。

下面将结合具体应用进一步说明本发明。

在老化温度为700℃、应力为50MPa条件下对T91试样进898小时老化，采用本发明方法对老化后的T91试样进行老化评级，步骤如下：

1、在T91试样的3个不同位置各取1个试样，获得3个待评级试样，获取待评级试样和原始试样的透射电子显微镜图，并保证每个试样均都有5张不同视场的透射电子显微镜图，则待评级试样对应15幅透射电子显微镜图，原始试样对应5幅电子显微镜图。

2、采用图片编辑器打开透射电子显微镜图，从图中可以清晰看出，黑色颗粒为碳化物，且晶界十分明显，因此可以清晰的辨别晶界碳化物颗粒和晶内碳化物颗粒。

3、采用Photoshop的抠图工具分别将试样的透射电子显微镜图中的晶界碳化物提取出来，并得到各透射电子显微镜图对应的晶界碳化物图像。

4、采用Image-J工具校正晶界碳化物颗粒图像中的标尺，然后，利用二值化处理晶界碳化物颗粒图，并采用Image-J工具统计二值化后晶界碳化物颗粒数据及尺寸，去除图中标尺，以免将标尺作为晶界碳化物统计影像统计结果的准确性，见图2～3。采用步骤2～4分别统计待评级试样和原始试样的所有透射电子显微镜图中的晶界碳化物颗粒数量及尺寸，并将所以统计数据汇总导出。

5、将统计结果分为两类，一类是待评级试样的晶界碳化物颗粒统计结果，另一类是原始试样的晶界碳化物颗粒统计结果。

根据待评级试样的晶界碳化物颗粒统计结果，按照颗粒尺寸从小到大对待评级试样的晶界碳化物颗粒进行排序，以晶界碳化物颗粒排序序号和晶界碳化物颗粒总数之比为横坐标、以晶界碳化物颗粒尺寸为纵坐标绘制待评级试样的晶界碳化物尺寸分布图，见图4中的曲线A。

根据原始试样的晶界碳化物颗粒统计结果，按照颗粒尺寸从小到大对原始试样的晶界碳化物颗粒进行排序，以晶界碳化物颗粒排序序号和晶界碳化物颗粒总数之比为横坐标、以晶界碳化物颗粒尺寸为纵坐标绘制待评级试样的晶界碳化物尺寸分布图，见图4中的曲线O。

6、在待评级试样和原始试样的晶界碳化物尺寸分布图的坐标系中，绘制4条分级曲线，并获得5个老化评级分区，见图5。本实施例中，待评级试样的晶界碳化物尺寸分布图处于分区5，则可知待评级试样为5级老化。

Claims (4)

1.基于透射电子显微镜的T91钢老化测试方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，获取待测试试样和原始试样的透射电子显微镜图；

步骤2，统计待测试试样和原始试样的透射电子显微镜图中晶界碳化物颗粒数目及尺寸；

步骤3，基于待测试试样和原始试样的透射电子显微镜图中晶界碳化物颗粒的尺寸差异，对待测试试样的老化程度进行测试；

步骤3进一步包括以下子步骤：

3.1按尺寸从小到大对待测试试样的晶界碳化物颗粒进行排序，以晶界碳化物颗粒排序序号和晶界碳化物颗粒总数之比为横坐标、以晶界碳化物颗粒尺寸为纵坐标绘制待测试试样的晶界碳化物尺寸分布图；

3.2按尺寸从小到大对原始试样的晶界碳化物颗粒进行排序，以晶界碳化物颗粒排序序号和晶界碳化物颗粒总数之比为横坐标、以晶界碳化物颗粒尺寸为纵坐标，在测试试样的晶界碳化物尺寸分布图的同一坐标系中绘制原始试样的晶界碳化物尺寸分布图；

3.3根据待测试试样和原始试样的晶界碳化物尺寸分布图获取待测试试样和原始试样的晶界碳化物的尺寸差，从而获得待测试试样的老化测试结果。

2.如权利要求1所述的基于透射电子显微镜的T91钢老化测试方法，其特征在于：

步骤1依次包括以下子步骤：

1.1从待测试部件的不同位置分别取样，获得不少于2个的待测试试样；从与待测试部件材料相同的供货态产品上获取原始试样；

1.2采用金相砂纸打磨试样使试样厚度达到70μm，然后采用电解双喷减薄试样至满足透射电镜要求，所述的试样包括待测试试样和原始试样；

1.3采用透射电子显微镜获取待测试试样和原始试样的透射电子显微镜图。

3.如权利要求1所述的基于透射电子显微镜的T91钢老化测试方法，其特征在于：

步骤2进一步包括以下子步骤：

2.1采用抠图工具从透射电子显微镜图中提取晶界碳化物颗粒，得到透射电子显微镜图对应的晶界碳化物颗粒图像；

2.2二值化处理晶界碳化物颗粒图像后，采用Image-J工具统计晶界碳化物颗粒图像中的晶界碳化物颗粒数目及尺寸。

4.如权利要求1所述的基于透射电子显微镜的T91钢老化测试方法，其特征在于：

步骤3.3中所述的根据待测试试样和原始试样的晶界碳化物尺寸分布图获取待测试试样和原始试样的晶界碳化物颗粒尺寸差，具体为：

采用来量化待测试试样和原始试样的晶界碳化物颗粒尺寸差，并基于η值中的最大值η_max来获得待测试试样的老化测试结果，其中，Y和Y₀分别表示横坐标相同的待测试试样和原始试样的晶界碳化物颗粒尺寸。