基于析出相空间分布的耐热钢焊接接头蠕变裂纹预测方法技术

基于析出相空间分布的耐热钢焊接接头蠕变裂纹预测方法，包括样品准备，在耐热钢焊接接头熔敷金属两侧的熔合线处切取立方体样品，将所述的立方体样品分隔为若干片状样品，将片状样品逐片标记并保持其原始空间次序不变，对片状样品逐点逐层进行XRD粉末衍射实验，并记录每层所述片状样品的衍射图谱，使用Rietveld全谱拟合法分析得到的每层片状样品的衍射图谱，构建析出相三维空间分布图，并分析预测耐热钢焊接接头的焊缝附近的蠕变损伤裂纹的萌生位置及空间扩展方向。本发明专利技术针对耐热钢蠕变损伤断裂开展研究，预测裂纹缺陷萌生位置及扩展方向，提早进行针对性预测和监督，对保证火电机组安全服役至关重要，可以避免电力企业重大安全事故。

Prediction method of creep crack in welded joint of heat resistant steel based on spatial distribution of precipitates

【技术实现步骤摘要】
基于析出相空间分布的耐热钢焊接接头蠕变裂纹预测方法
本专利技术涉及耐热钢管道焊接接头裂纹预测
，尤其是基于析出相空间分布的耐热钢焊接接头蠕变裂纹预测方法。
技术介绍
出于缓解能源和环境危机的需要，通过提高锅炉蒸汽温度来提升发电机组的效率是火力发电行业长期以来的核心思路。然而，蒸汽温度的增加使金属部件的工作环境更为恶劣，这使得火电机组用钢材面临着愈加严苛的要求。目前，高等级马氏体耐热钢以其优异的高温持久强度和良好的高温抗氧化及耐腐蚀性能得以在火电行业中有着重要的应用，在代表行业最先进水平的超(超)临界机组中，超(超)临界机组指锅炉内主蒸汽温度达到或超过600℃以及蒸汽压力不低于31MPa的发电机组。主蒸汽管道已普遍使用高等级耐热马氏体钢。从金属冶金理论和组织结构学来评价，其良好的性能得益于精益求精的化学成分设计和炼钢技术，较好地实现了板条马氏体强化、晶界强化、位错强化、析出相弥散沉淀强化与固溶强化等多种强化机理的结合，但国内外众多研究显示，高等级耐热马氏体钢焊接接头靠近熔合线处存在一个蠕变强度显著降低的区域，容易萌生IV型蠕变裂纹，最终造成焊缝的脆性开裂失效。同步辐射高能X射线具有光强高、穿透性强、相干与准直性好等优异性能，基于同步辐射光源的可开展多种无损、高分辨、动态、三维成像、衍射或散射实验研究，在冶金及材料工程学科的基础研究中已获得重要的应用。在国际上已经有学者利用同步辐射光源研究耐热钢，例如使用用同步辐射X射线断层方法(synchrotronX-raymicro-tomography)对耐热钢焊接接头蠕变孔洞的形貌以及空间分布进行表征，分析微观孔洞缺陷对其宏观蠕变性能的影响，提升了材料蠕变寿命评估的精度。然而，这项测试技术仍有局限性，其分辨率约为1mm，难以对纳米尺寸的孔洞缺陷分布进行成像，因此为蠕变裂纹萌生及扩展分析带了一定程度的滞后性。如何对更小尺度缺陷的分布规律进行预测与分析是目前亟待解决的问题。因此，针对现有研究蠕变损伤断裂的缺陷，需要提出一种基于析出相空间分布的耐热钢焊接接头蠕变裂纹预测的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种预测耐热钢管道焊接接头裂纹小尺度缺陷的分布规律的分析方法。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：基于析出相空间分布的耐热钢焊接接头蠕变裂纹预测方法，包括以下步骤：第一步，样品准备，在耐热钢焊接接头熔敷金属两侧的熔合线处切取立方体样品，将所述的立方体样品分隔为若干片状样品；第二步，将第一步中若干的所述片状样品逐片标记并保持其原始空间次序不变，将片状样品表面抛光使其满足XRD(X-raydiffraction)衍射要求；第三步，对若干的所述片状样品逐点逐层进行XRD粉末衍射实验，并记录每层所述片状样品的衍射图谱；第四步，使用Rietveld全谱拟合法分析第三步中得到的每层所述片状样品的衍射图谱；第五步，针对第四步中得到的每层所述片状样品的衍射图谱的分析结果，构建析出相三维空间分布图；第六步，根据第五步中的析出相三维空间分布图，分析预测耐热钢焊接接头的焊缝附近的蠕变损伤裂纹的萌生位置及空间扩展方向。优选的，所述的第一步中熔敷金属两侧为高等级耐热马氏体钢。优选的，所述的第一步中熔敷金属两侧的熔合线所在区域内包括多道次熔敷焊道层间界面、熔敷金属/母材界面、母材热影响区和母材。优选的，所述的第三步中进行XRD粉末衍射实验的方法为：使用精密XY位移台控制所述片状样品位移，在所述片状样品的表面逐点进行XRD衍射实验，连续记录衍射图谱并进行标记，使衍射图谱的序号与衍射位置所对应，完成首片片状样品的衍射实验后，重复此步骤并分析下一层片状样品，直至测试完所有的片状样品的衍射实验为止。优选的，所述的第四步中分析每层片状样品的衍射图谱的步骤为：a、使用Maud(MaterialAnalysisusingDiffraction)软件内置的Rietveld全谱拟合方法分析每层片状样品的二维衍射图谱，获得析出相类型及尺寸信息；b、将XRD衍射实验定量分析结果与透射电子显微镜的实验结果进行对比，不断改进Rietveld的拟合参数，直至由衍射峰峰形拟合得到的物相尺寸与由形貌相直接测量得到的结果相符合，并建立高精度XRD衍射图谱分析方法；c、分析所有片状样品的二维衍射图谱，以完成对选定的三维空间区域内的物相定性和定量分析。优选的，所述的第五步中构建析出相三维空间分布图的步骤为：使用Matlabsimulink工具建立三维图形模块，在交互式界面中表示出第四步中衍射图谱所分析的空间区域内主要析出相M23C6、MX相、Laves相的物相体积分数、粒度、母相位错密度和残余应力的等浓度面，并通过调节相关参数数值，使图形界面中的显示结果发生相应变化。优选的，所述的第六步根据分析衍射图谱的母相位错密度和残余应力的分布情况来判断蠕变裂纹的萌生位置及扩展方向。本专利技术的优点和积极效果是：1、本专利技术通过分析析出相的类型和体积来间接预测蠕变孔洞及裂纹出现的位置和空间扩展方向，可在火电机组检修期间为蒸气管道探伤作业提供指导，为疑似缺陷的定性提供判断依据。基于同步辐射光源的衍射实验可解决现有研究中虽然可以精准反应析出相的微观结构信息，却无法完成对样品宏观区域的表征的矛盾问题，利用其高速采集衍射图谱的优势，可快速完成对微米尺度区域的测量，随后进行连续衍射实验可在短时间内完成较大尺度(毫米级别)内样品的分析，最后对衍射图谱的拟合分析可获得纳米尺度析出相的尺寸以及其他晶体学信息，既实现了宏观与微观的统一，又保证了分析精度。2、本专利技术针对耐热钢蠕变损伤断裂开展研究，预测裂纹缺陷萌生位置及扩展方向，提早进行针对性预测和监督，对保证火电机组安全服役至关重要，可以避免电力企业重大安全事故，同时具有提高能量转化率和节约能源的环保效应，具有明显的社会和经济效益。3、本专利技术重点分析耐热钢焊接接头熔合线附近数百微米到数毫米尺度内碳、氮化合物析出相的粒度及空间分布规律，可为高等级耐热钢焊接接头Ⅳ型蠕变裂纹的预测及精确诊断提供基础，加深对高等级耐热马氏体钢高温服役性能的认识，实现材料组织结构、微观物相构成的高通量、多尺度表征，为全面评估材料与部件的损伤提供技术支持，对火电机组高压蒸汽管道寿命预测及风险评估具有重大意义。附图说明图1是本专利技术的耐热钢管道焊接接头熔合线处的取样示意图；图2是本专利技术的XRD衍射实验的示意图；图3是本专利技术的高等级耐热马氏体钢的热影响区的微区分布示意图；图4是本专利技术的四种蠕变裂纹的分布示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于析出相空间分布的耐热钢焊接接头蠕变裂纹预测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n第一步，样品准备，在耐热钢焊接接头熔敷金属两侧的熔合线处切取立方体样品，将所述的立方体样品分隔为若干片状样品；/n第二步，将第一步中若干的所述片状样品逐片标记并保持其原始空间次序不变，将片状样品表面抛光使其满足XRD(X-ray diffraction)衍射要求；/n第三步，对若干的所述片状样品逐点逐层进行XRD粉末衍射实验，并记录每层所述片状样品的衍射图谱；/n第四步，使用Rietveld全谱拟合法分析第三步中得到的每层所述片状样品的衍射图谱；/n第五步，针对第四步中得到的每层所述片状样品的衍射图谱的分析结果，构建析出相三维空间分布图；/n第六步，根据第五步中的析出相三维空间分布图，分析预测耐热钢焊接接头的焊缝附近的蠕变损伤裂纹的萌生位置及空间扩展方向。/n

【技术特征摘要】
1.基于析出相空间分布的耐热钢焊接接头蠕变裂纹预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，样品准备，在耐热钢焊接接头熔敷金属两侧的熔合线处切取立方体样品，将所述的立方体样品分隔为若干片状样品；
第二步，将第一步中若干的所述片状样品逐片标记并保持其原始空间次序不变，将片状样品表面抛光使其满足XRD(X-raydiffraction)衍射要求；
第三步，对若干的所述片状样品逐点逐层进行XRD粉末衍射实验，并记录每层所述片状样品的衍射图谱；
第四步，使用Rietveld全谱拟合法分析第三步中得到的每层所述片状样品的衍射图谱；
第五步，针对第四步中得到的每层所述片状样品的衍射图谱的分析结果，构建析出相三维空间分布图；
第六步，根据第五步中的析出相三维空间分布图，分析预测耐热钢焊接接头的焊缝附近的蠕变损伤裂纹的萌生位置及空间扩展方向。


2.根据权利要求1所述的基于析出相空间分布的耐热钢焊接接头蠕变裂纹预测方法，其特征在于：所述的第一步中熔敷金属两侧为高等级耐热马氏体钢。


3.根据权利要求1所述的基于析出相空间分布的耐热钢焊接接头蠕变裂纹预测方法，其特征在于：所述的第一步中熔敷金属两侧的熔合线所在区域内包括多道次熔敷焊道层间界面、熔敷金属/母材界面、母材热影响区和母材。


4.根据权利要求1所述的基于析出相空间分布的耐热钢焊接接头蠕变裂纹预测方法，其特征在于：所述的第三步中进行XRD粉末衍射实验的方法为：使用精密XY位移台控制所述片状样品位移，在所述片状样品的表面逐点进行XRD衍射实验，连续记录衍射图谱并进行标记，使衍...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐卫仙，王皓亮，许辉，乔立捷，
申请(专利权)人：华电电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33