CN114184536A - 一种铁素体热老化调幅分解状况的分析方法 - Google Patents

一种铁素体热老化调幅分解状况的分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种铁素体热老化调幅分解状况的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：利用差式扫描量热分析方法分别获得原始态铁素体不锈钢的热流‑温度曲线和热老化铁素体不锈钢的热流‑温度曲线；根据两个热流‑温度曲线得到修正后的铁素体不锈钢的热流‑温度曲线，并得到热老化铁素体不锈钢的特征峰；对修正后的铁素体不锈钢的热流‑温度曲线中的特征峰进行积分处理，并取其绝对值，得到特征焓H；根据铁素体不锈钢材料中铬元素的含量计算获得该铬元素含量对应的铁素体不锈钢热老化后调幅分解的标准焓Hs；采用公式
Figure DDA0003337734800000011
计算获得热老化后铁素体不锈钢中的铁素体调幅分解程度RSD。本发明的铁素体热老化调幅分解状况的分析方法，测试方便，测试数据精度高，重复性好。

Description

一种铁素体热老化调幅分解状况的分析方法
技术领域
本发明属于金属材料老化检测技术领域，具体涉及一种基于差式扫描量热分析方法检测铁素体热老化调幅分解状况的能量分析方法。
背景技术
由于以铬为主要添加元素的铁素体合金具有强度高、耐腐蚀性好、抗氧化能力强等优点，广泛应用于核电领域。含铁素体的Z3CN20.09M/CF3/CF8双相不锈钢广泛应用于压水堆核电站的主管道材料。以FeCrAl为主要组成元素的铁素体合金抗氧化性能优异，被视为新型ATF包壳材料研发的关键路线之一。由于在强度和抗辐照性能方面的优势，铁素体-马氏体不锈钢可用于第四代核电反应堆以及聚变反应堆的关键结构材料。作为重要结构部件，这些材料均需在高温环境下长期服役。
然而，在这类铁素体合金中，高铬元素含量的铁素体在300-500℃温度下长期服役过程中，会发生严重的热老化损伤问题。微观结构上，调幅分解造成铬元素局部富集并生成α’相，从而导致材料宏观力学性能上发生显著劣化，具体表现为：材料硬度和脆性升高、韧性降低、冲击性能降低，从而造成部件脆性断裂风险增大，安全风险升高，影响核电站的安全稳定运行。因此，针对铁素体热老化调幅分解状况的测量和评估十分必要。
对于热老化调幅分解状况，三维原子探针可以直接观测材料的微观元素富集状态，但该方法测试门槛高、成本大、耗时长，难以应用于实际工程情况下。而常规力学测试方法需要采用完整块体样品，所需样品多，测试误差大。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基于热分析方法的铁素体合金热老化调幅分解状况的检测方法，能够实现铁素体受热老化状况的准确、快速检测和评估。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种铁素体热老化调幅分解状况的分析方法，包括如下步骤：利用差式扫描量热分析方法分别获得原始态铁素体不锈钢的热流-温度曲线和热老化铁素体不锈钢的热流-温度曲线；
根据两个热流-温度曲线得到修正后的铁素体不锈钢的热流-温度曲线，并得到热老化铁素体不锈钢的特征峰；
对修正后的铁素体不锈钢的热流-温度曲线中的特征峰进行积分处理，并取其绝对值，得到特征焓H；
根据铁素体不锈钢材料中铬元素的含量计算获得该铬元素含量对应的铁素体不锈钢热老化后调幅分解的标准焓Hs；
采用公式
Figure BDA0003337734780000021
计算获得热老化后铁素体不锈钢中的铁素体调幅分解程度RSD。
通过差式扫描量热分析方法，可以利用微小样品实现对铁素体调幅分解的准确、快速测量，相比于常规测量方法具有显著优势。
根据本发明的一些优选实施方面，所述原始态铁素体不锈钢的热流-温度曲线通过如下步骤得到：
将初始状态的铁素体不锈钢材料进行固溶处理后，除掉表面氧化层，取屑样进行差式扫描量热分析，获得原始态铁素体不锈钢的热流-温度曲线。
根据本发明的一些优选实施方面，所述固溶处理包括如下步骤：
若不锈钢中铬元素质量含量≤10％，则固溶热处理的温度为650-750℃，时间不少于20h；
若不锈钢中铬元素质量含量＞10％，则固溶热处理的温度为1050℃-1150℃，时间为1-3h，优选为2h，并在固溶处理后采用水淬处理，时间不少于15min，水温低于45℃。
根据不锈钢中铬元素质量含量将固溶处理分为上述两种形式，能够更好地得到合金元素均匀分布的铁素体组织。
根据本发明的一些优选实施方面，所述热老化铁素体不锈钢的热流-温度曲线通过如下步骤得到：
将固溶处理后的铁素体不锈钢材料进行高温热时效处理，除掉表面氧化层，取屑样进行差式扫描量热分析，获得热老化铁素体不锈钢的热流-温度曲线。
根据本发明的一些优选实施方面，所述热时效处理温度为350-500℃。
根据本发明的一些优选实施方面，所述差式扫描量热分析测试温度区间为室温至700℃，升温速率为8-20℃/s。根据实验结果得到热老化铁素体不锈钢的特征峰温度范围为450-700℃，所以差式扫描量热分析的测试温度需要包含至700℃。
根据本发明的一些优选实施方面，所述修正后的铁素体不锈钢的热流-温度曲线通过如下步骤得到：
将所述热老化铁素体不锈钢的热流-温度曲线扣除原始态铁素体不锈钢对所述原始态铁素体不锈钢的热流-温度曲线的贡献并扣除基线，得到修正后的铁素体不锈钢的热流-温度曲线；通过所述修正后的铁素体不锈钢的热流-温度曲线获得热老化铁素体不锈钢的特征峰。
根据本发明的一些优选实施方面，所述标准焓Hs采用公式Hs＝a+b×P计算获得；其中a、b为系数，P为原始态铁素体不锈钢材料中铬元素的质量含量。
根据本发明的一些优选实施方面，系数a、b为对多组铬元素质量含量在10％-40％之间的铁素体合金材料在400℃热时效5000h状况下的实验结果进行拟合后得到。
根据本发明的一些优选实施方面，所述铁素体不锈钢材料中铬元素质量含量P为利用化学分析法或电感耦合等离子体发射光谱法得到。
在本发明的一些实施例中，铁素体热老化调幅分解状况的能量分析方法包括如下步骤：
将初始状态的铁素体不锈钢材料进行固溶处理后，除掉表面氧化层，取屑样进行差式扫描量热分析，获得原始态铁素体不锈钢的热流-温度曲线；
将固溶处理后的铁素体不锈钢材料进行高温热时效处理，除掉表面氧化层，取屑样进行差式扫描量热分析，获得热老化铁素体不锈钢的热流-温度曲线；
将所述热老化铁素体不锈钢的热流-温度曲线扣除原始态铁素体不锈钢对所述原始态铁素体不锈钢的热流-温度曲线的贡献并扣除基线，得到修正后的铁素体不锈钢的热流-温度曲线；通过所述修正后的铁素体不锈钢的热流-温度曲线获得热老化铁素体不锈钢的特征峰；
对修正后的铁素体不锈钢的热流-温度曲线中的特征峰进行积分处理，并取其绝对值，得到特征焓H；
采用式Hs＝a+b×P计算获得该铬元素含量铁素体不锈钢热老化后调幅分解的标准焓Hs；其中a、b为系数，P为铁素体不锈钢材料中铬元素的含量；
采用式
Figure BDA0003337734780000031
计算获得热老化后铁素体不锈钢中的铁素体调幅分解程度RSD。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的铁素体热老化调幅分解状况的分析方法，通过差式扫描量热分析方法，从能量学角度给出定量分析，成本低、测试方便、所需测试样品微小、测试数据精度高、重复性好，相比于常规测量方法具有显著优势，对实际科学研究与样品分析具有很强的实用性，可有效解决现有技术中由于样品磁性大、调幅分解尺度小等问题导致的调幅分解程度测量困难的缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1为本发明实施例中未经热老化的原始态铁素体不锈钢的第一H-T曲线。
附图2为本发明实施例中经400℃高温1000h热时效处理的热老化铁素体不锈钢的第二H-T曲线。
附图3为本发明实施例中经400℃高温1000h热时效处理的热老化铁素体不锈钢的第二H-T曲线扣除未经热老化原始态铁素体不锈钢的第一H-T曲线的贡献并扣除基线之后的结果，即第三H-T曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本实施例中的铁素体热老化调幅分解状况的能量分析方法，包括如下步骤：
(1)利用化学分析法或电感耦合等离子体发射光谱法等方法获取铁素体不锈钢材料中铬元素的质量含量P。即铬元素含量P为质量百分比。
(2)将初始状态的铁素体不锈钢加工成块状样品，置于高温环境中进行固溶处理。
为保证合金中的铁素体含量及合金元素分布均匀性，高温环境中的固溶处理包括如下两种情况：
若不锈钢中Cr元素含量≤10wt.％，则固溶热处理温度为700℃，时间不少于20小时；
若不锈钢中Cr元素含量＞10wt.％，则固溶热处理温度在1050℃-1150℃之间，时间为2h，固溶处理后采用水淬处理，时间不少于15min，水温低于45℃。
(3)将步骤(2)得到的固溶处理后的材料除掉表面氧化层，取屑样，利用差式扫描量热方法测量获得原始态铁素体不锈钢的热流-温度曲线，定义为第一H-T曲线。
(4)对步骤(2)得到的固溶处理后的材料置于热处理炉内进行高温热时效处理。热时效处理的温度在350-500℃范围内。
(5)步骤(4)得到的热时效处理后的材料除掉表面氧化层，取屑样，利用差式扫描量热方法测量获得热老化铁素体不锈钢的热流-温度曲线，定义为第二H-T曲线。
上述差式扫描量热分析测试时的屑样质量为4-10mg，温度区间为室温至700℃，升温速率为8-20℃/s。根据实验结果得到热老化铁素体不锈钢的特征峰温度范围为450-700℃，所以差式扫描量热分析的测试温度需要包含至700℃。
(6)将所述第二H-T曲线扣除未热老化的原始态不锈钢对所述第一H-T曲线的贡献并扣除基线得到修正后的铁素体不锈钢的热流-温度曲线，定义为第三H-T曲线，通过所述第三H-T曲线获得热老化铁素体不锈钢的特征峰。
(7)对步骤(6)得到的第三H-T曲线中的特征峰进行积分处理，并取其绝对值，得到特征焓H。
(8)采用式Hs＝a+b×P计算获得该铬元素含量铁素体不锈钢热老化后调幅分解的标准焓Hs。
其中，基于大量铬元素含量在10wt.％-40wt.％之间的铁素体合金材料在400℃热时效5000小时状况下的实验结果，拟合得到系数a、b，分别为：a＝-2.09，b＝23.07。
(9)采用式
Figure BDA0003337734780000051
计算获得热老化后铁素体不锈钢中的铁素体调幅分解程度RSD。
实施例：
本实施例对443铁素体不锈钢经过高温热老化后的调幅分解状况进行测定，具体步骤如下：
(1)利用电感耦合等离子体发射光谱法测量得到铁素体不锈钢材料中铬元素质量含量为P＝20％。
(2)将初始状态的铁素体不锈钢加工成边长为15mm的块状样品，加工完成后在1100℃高温环境中进行固溶处理2小时后，将其置于25℃常温水环境进行20min水淬处理。
(3)将步骤(2)得到的材料除掉表面氧化层，取样制作成厚度为100um的薄片，切取5mg片状样品，利用差式扫描量热方法测量获得原始态铁素体不锈钢的热流-温度曲线，定义为第一H-T曲线，参见附图1所示。
(4)对步骤(2)得到的材料置于热处理炉内进行400℃高温1000小时热时效处理。
(5)将步骤(2)得到的材料除掉表面氧化层，取样制作成厚度为100um的薄片，切取5mg片状样品，利用差式扫描量热方法测量获得原始态铁素体不锈钢的热流-温度曲线，定义为第二H-T曲线，参见附图2所示。
(6)将所述第二H-T曲线扣除未热老化不锈钢对所述第一H-T曲线的贡献并扣除基线得到第三H-T曲线，所述第三H-T曲线获得热老化铁素体不锈钢的特征峰位于450℃-700℃之间，参见附图3所示。
(7)对步骤(6)得到的第三H-T曲线中的450℃-700℃特征峰进行积分处理，并取其绝对值，得到特征焓H＝3.46。
(8)采用式Hs＝-2.09+23.07×P计算获得该铬元素含量铁素体不锈钢热老化后调幅分解的标准焓Hs＝-2.09+23.07×0.2＝2.52。
(10)采用式
Figure BDA0003337734780000061
计算获得热老化后铁素体不锈钢中的铁素体调幅分解程度
Figure BDA0003337734780000062
由于铁素体不锈钢在高温环境下长期服役过程会发生由调幅分解导致的严重热老化损伤问题。但现有的常规分析方法难以对热老化调幅分解状况做出准确判断。本发明的基于热分析方法的铁素体合金热老化调幅分解状况的检测方法，通过差式扫描量热分析方法，从能量学角度给出定量分析，成本低，测试方便，所需测试样品微小，测试数据精度高，重复性好，相比于常规测量方法具有显著优势，对实际科学研究与样品分析具有很强的实用性，可有效解决现有技术中由于样品磁性大、调幅分解尺度小等问题导致的调幅分解程度测量困难的缺陷。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铁素体热老化调幅分解状况的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：利用差式扫描量热分析方法分别获得原始态铁素体不锈钢的热流-温度曲线和热老化铁素体不锈钢的热流-温度曲线；
根据两个热流-温度曲线得到修正后的铁素体不锈钢的热流-温度曲线，并得到热老化铁素体不锈钢的特征峰；
对修正后的铁素体不锈钢的热流-温度曲线中的特征峰进行积分处理，并取绝对值，得到特征焓H；
根据铁素体不锈钢材料中铬元素的含量计算获得该铬元素含量对应的铁素体不锈钢热老化后调幅分解的标准焓Hs；
采用公式
Figure FDA0003337734770000011
计算获得热老化后铁素体不锈钢中的铁素体调幅分解程度RSD。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述原始态铁素体不锈钢的热流-温度曲线通过如下步骤得到：
将初始状态的铁素体不锈钢材料进行固溶处理后，除掉表面氧化层，取屑样进行差式扫描量热分析，获得原始态铁素体不锈钢的热流-温度曲线。
3.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，所述固溶处理包括如下步骤：
若不锈钢中铬元素质量含量≤10％，则固溶热处理的温度为650-750℃，时间不少于20h；
若不锈钢中铬元素质量含量＞10％，则固溶热处理的温度为1050℃-1150℃，时间为1-3h，并在固溶处理后采用水淬处理，时间不少于15min，水温低于45℃。
4.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，所述热老化铁素体不锈钢的热流-温度曲线通过如下步骤得到：
将固溶处理后的铁素体不锈钢材料进行高温热时效处理，除掉表面氧化层，取屑样进行差式扫描量热分析，获得热老化铁素体不锈钢的热流-温度曲线。
5.根据权利要求4所述的分析方法，其特征在于，所述热时效处理温度为350-500℃。
6.根据权利要求4所述的分析方法，其特征在于，所述差式扫描量热分析测试温度区间为室温至700℃，升温速率为8-20℃/s。
7.根据权利要求4所述的分析方法，其特征在于，所述修正后的铁素体不锈钢的热流-温度曲线通过如下步骤得到：
将所述热老化铁素体不锈钢的热流-温度曲线扣除原始态铁素体不锈钢对所述原始态铁素体不锈钢的热流-温度曲线的贡献并扣除基线，得到修正后的铁素体不锈钢的热流-温度曲线。
8.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述标准焓Hs采用公式Hs＝a+b×P计算获得；其中a、b为系数，P为原始态铁素体不锈钢材料中铬元素的质量含量。
9.根据权利要求8所述的分析方法，其特征在于，系数a、b为对多组不同铬元素质量含量在10％-40％之间的铁素体合金材料在400℃热时效5000h状况下的实验结果进行拟合后得到。
10.根据权利要求8所述的分析方法，其特征在于，所述铁素体不锈钢材料中铬元素质量含量P为利用化学分析法或电感耦合等离子体发射光谱法得到。
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