一種測定鋼中Laves相含量的方法

2023-06-25 02:44:06 2

專利名稱：一種測定鋼中Laves相含量的方法
技術領域：
本發明涉及一種測定鋼中laves相含量的方法，屬於冶金技術領域。
背景技術：
近年來為解決日益突出的能源短缺及環境汙染問題，高效率的超(超)臨界壓發電在國際上成為熱門話題。世界各國火力發電機組參數正由亞臨界參數(16.77MPa、540°C )向超臨界參數(25.0MP、540°C 566°C;24.0 30.0MPa、580°C 610°C )發展，這樣熱效率可提高6 7%。改善熱效率主要是熱動力問題，通過提高蒸汽參數，即提高蒸汽壓力和溫度，可明顯提高電廠熱效率。當機組的蒸汽參數達到22MPa，570°C以上時，在這樣的溫度和應力環境下，鍋爐蒸汽管道部件受到嚴峻考驗。鍋爐管道的實際案例已經表明，有的甚至運行時間僅幾萬小時，部分蒸汽管道早期爆管頻繁出現，造成非計劃內停機檢修，對電廠和電網帶來很大的影響。新型高鉻耐熱鋼為這類鍋爐再熱器、過熱器的主要使用材料。因而研究這類鋼服役之後的組織變化具有重大意義。電廠工作人員意識到這類問題的存在之後，深入的研究這類問題，得到一些成果。以T91耐熱鋼為例，大量實際應用和模擬實驗研究表明，該類鋼的早期性能退化與失效的主要原因有以下兩個方面:1、亞結構的回覆。經長期高溫服役後，亞結構回復，位錯密度顯著下降，大量位錯或相互抵消，或被晶界和亞晶界吸收，或相互糾結成位錯牆進一步轉化為亞晶界，促進了板條馬氏體的破碎和晶粒的回覆再結晶。大量板條馬氏體被分割，破碎，在原來的晶粒內部，通過弓出形核機制再結晶，降低材料的蠕變強度，導致蠕變第三階段的發生。2、原有析出相粗化，新相生成。在高溫長期蠕變作用下，T91型耐熱鋼中會析出一種由Fe、Mo組成的laves相,這一現象 將會使得合金元素Mo、W由固溶體中分布比較均勻向碳化物中擴散，使鋼中基體缺乏固溶強化元素而降低了固溶強化作用。有文獻指出低Mo的局部區域就成為蠕變集中的地方，從而降低了蠕變激活能，加速蠕變進行。另外Laves相在析出初期顆粒較小有強化作用，能在一定程度上提升耐熱鋼的力學性能，但是該相在服役環境之下十分容易粗化。經過長期高溫服役之後，鋼中元素的擴散，弱化了其他析出相的強化作用。另一方面，依據Ostalwald粗化理論，直徑越大的析出相元素濃度越低，因而促使合金元素從小直徑析出相向大直徑析出相轉移，研究表明析出相粗化到一定直徑之後，易於開裂，成為裂紋源，顯著降低鋼的使用壽命。這兩原因中，第二個原因和機理一直被認為是該類鋼失效的主要原因，對於這一機理已經有足夠的認識。為指導實踐運行，電廠需要在耐熱鋼運行一段時間後的對鋼中析出的Laves新相含量做出測定。目前對於該類耐熱鋼微觀組織變化特別是析出相的變化的表徵主要採用金相學或者X射線衍射(XRD)的方法。金相方法是最為傳統的做法。該方法截取使用的材料製成所需要的金相試樣之後，利用光學的或者電子顯微設備，顯示試樣的內部顯微結構，同時可以利用一些輔助設備如X射線單晶衍射、能譜儀等來定性鑑別材料中的顯微結構，實現顆粒尺寸統計。另外一種是XRD的方法，該方法試樣主要是直接測試或萃取之後的碳化物。直接測試時，由於鋼中組織複雜，且碳化物在其中所佔比例相對較少，測得信號噪聲繁雜，同時很少能夠反映出所需要的碳化物信息，所以一般會採取第二類樣品進行測試。萃取之後樣品會提供許多詳細碳化物信息，包括粉末中包含的碳化物種類，生長的位向，同時可以計算碳化物在所有萃取物中的質量分數，以及該試樣中已測得相的點陣常數。M.Mattestrand等(2001)採用能量濾波透射電鏡辨別Laves相，實現真正的準確清晰的定性鑑別，但是透射電子顯微鏡制樣過程複雜，測試的視場範圍較小，使得測試具有隨機性。王學等(2012)採用背散射掃描顯微鏡，依據襯度差異辨別Laves相，並對顆粒實行統計，這一方法相對視野寬闊，測定過程較為簡單，然而在辨別中，圖像襯度受許多因素的影響，可知這一方法的測定並不準確。而XRD測定方法中，碳化物萃取和實驗過程同樣比較麻煩，並且實驗結果不穩定。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於提供一種簡單、準確地測定鋼中Laves相含量的方法。該方法利用穆斯堡爾譜設備，具有設備簡單常見、制樣方便快速、測定準確的特點。合金元素在鋼中的存在方式，只有兩種，一是在基體中和Fe形成固溶體，或者就是在鋼中和C、N—起形成化合物。如果檢測到合金元素在基體當中的變化那麼就可以反推在化合態的含量變化。另外在做鋼的析出相測試之前，一般已知鋼中的主要析出相，以及鋼中的主要元素。所以針對鋼中一些元素，只存在一種化合態結構析出相時，若能夠檢測出該元素在基體中的比例，利用鋼的成分即可反推其在析出相中的比例。而穆斯堡爾譜效應能夠靈敏測得各種溶質原子對鐵基合金57Fe的同質異能位移和超精細場的影響。每個固溶於鐵原子周圍的溶質原子都將會使得鐵原子的同質異能位移，使鐵原子超精細場改變，每個原子在特定位置產生的改變值是固定。本發明的技術方案是:(I)將待測工件取小塊，清洗油汙後，利用小銼刀將試樣在室溫之下製成粉末樣品;(2)取挫好的小顆粒至於穆斯堡爾儀器樣品室中，穆斯堡爾儀器採用透射等加速模式，測定透過吸收體的Y射線計數與調製能量即與都卜勒速度的關係；(3)將穆斯堡爾譜導入Recoil軟體中，讀出譜線，依據譜線判別影響鐵超精細場值的固溶體的數量；(4)結合待測工件中的合金元素以及鋼中常見相，判斷待測工件中對鐵的超精細場值有影響的元素，由工具書查得它們的對鐵的超精細場值的影響值；(5)將查詢到的影響值代入Recoil軟體對話框中，進行擬合，多次擬合之後選擇
誤差值最小一組；(6)依據擬合結果中各物相線普面積的相對比例，用Laves相線譜所佔面積除以所有物相線譜面積總和，然後乘以檢測豐度2.2%，得到形成Laves相的鐵佔所有鐵元素的比例；Lave s相中鐵元素與Mo元素比例關係為2:1，結合上面形成Laves相的鐵的比例，即可得到構成Laves相的Mo的比例。
步驟(2)取IOmg粉末樣品放於穆斯堡爾譜儀器中。步驟(2)中，選取速度範圍為-10到10mm/s，使用1024道多道分析器採集數據，步長為 10/1024。步驟(2)中，使用固定在Rh晶格中的Co57作為放射源，其中能量為14.4Kev的Y射線引起材料中Fe原子核的共振散射。以上技術方案中主要部分為穆斯堡爾譜測定及分析，其中穆斯堡爾譜測定原理與過程如下所示:穆斯堡爾效應是Y射線的共振螢光現象，也稱射線無反衝發射及共振吸收效應，或稱，射線的零聲子發射及共振吸收效應。由於它對Y射線能量的細微變化十分敏感，因此可用來探測由於共振原子核附近的物理和化學環境變化而引起的共振Y射線能量的細微改變，從而得到許多物質結構的詳細信息。為得到較強的Y射線共振吸收，必須使Y射線在無反衝的條件下發射。在穆斯堡爾的實驗中，這些共振核都是置入晶格之中的，由於晶格的束縛，部分原子核在發射和吸收時實現無反衝過程。穆斯堡爾在實驗上取得突破的根本原因在於發射核或吸收核均受到晶體點陣的束縛，因而可能實現無反衝共振吸收或反射。無反衝原子核共振吸收的最基本特徵是，獲得同類發射原子核和吸收原子核之間的完全的能量共振。穆斯堡爾效應的原理每當原子核的周圍環境發生變化時，共振譜線也會發生相應的移動、分裂和強度上的變化等，穆斯堡爾效應就是利用晶格植入法實現Y射線無反衝共振吸收，從而有效地探測原子核微觀環境的信息。穆斯堡爾譜儀主要由:(1)速·度驅動，(2)穆斯堡爾源一也稱穆斯堡爾核，能夠發射Y射線的放射線同位素物質。通常選擇配位對稱性高的金屬作為放射源的基體，用擴散、離子注人、庫侖激發、或核反應把母核同位素引人到基體裡面(3)吸收體一大多數情況下，吸收體即所需要研究的材料，(4)射線探測器，(5)核脈衝線路，(6)數據存儲，(7)低溫裝置和高溫裝置，(8)外加磁場裝置，(9)高壓裝置速度，(10)校準裝置等系統組成。測量過程:(I)穆斯堡爾源中的原子核發射射線，由核激發態躍遷到基態。穆斯堡爾源不同於一般的放射源，它是將放射性原子核束縛於固體晶格中製成的。(2)通過源和吸收體之間相對運動的都卜勒效應，使Y射線的能量有一個微小的調製AED，(3)經調製後的，Y射線在吸收體中同種穆斯堡爾原子核上引起共振吸收，(4)測量透過吸收體的，Y射線計數與調製能量即與都卜勒速度的關係，就是透射穆斯堡爾譜穆斯堡爾吸收。由上述技術方案可知本發明利用穆斯堡爾譜儀測得Y射線計數與調製能量即與都卜勒速度的關係，得到固溶原子對於Fe原子的超精細相互作用，轉換成為該類固溶體的含量。由此可知本發明具有如下優點:第一是實驗設備簡單，該實驗不用利用高昂價格的透射電鏡設備，降低了試驗成本和進行試驗的地域限制。第二是本發明試樣製備簡單，可採用粉末狀樣品或者塊狀樣品，當採用粉末狀樣品時，僅需要從被測試樣中挫出IOmg左右的量，避免汙染就可以。省去透射制樣的麻煩，節約試驗時間同時提高試驗成功的概率。第三是本發明在定量時精度與靈敏度較高，能夠測定樣品中極少含量的物相比例。


圖1，穆斯堡爾譜擬合結果。
具體實施例方式實施例對成分如下表1，規格為Φ60πιπι*10πιπι的Τ91管道中取樣，將樣品在675°C、70MPa下進行加速老化試驗，時間為900小時，老化之後對該樣品進行Laves相含量的定量測定。表I為實施例子中T91鋼標準成分
權利要求
1.一種測定鋼中laves相含量的方法，其特徵在於，步驟如下: (1)將待測工件取小塊，清洗油汙後，利用小銼刀將試樣在室溫之下製成粉末樣品； (2)取挫好的小顆粒至於穆斯堡爾儀器樣品室中，穆斯堡爾儀器採用透射等加速模式，測定透過吸收體的Y射線計數與調製能量即與都卜勒速度的關係； (3)將穆斯堡爾譜 導入Recoil軟體中，讀出譜線，依據譜線判別影響鐵超精細場值的固溶體的數量； (4)結合待測工件中的合金元素以及鋼中常見相，判斷待測工件中對鐵的超精細場值有影響的元素，由工具書查得它們的對鐵的超精細場值的影響值； 將查詢到的影響值代入Recoil軟體對話框中，進行擬合，多次擬合之後選擇誤差值最小一組； (6)依據擬合結果中各物相線普面積的相對比例，用Laves相線譜所佔面積除以所有物相線譜面積總和，然後乘以檢測豐度2.2%，得到形成Laves相的鐵佔所有鐵元素的比例；Laves相中鐵元素與Mo元素比例關係為2:1，結合上面形成Laves相的鐵的比例，即可得到構成Laves相的Mo的比例。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(2)取IOmg粉末樣品放於穆斯堡爾譜儀器中。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(2)中，選取速度範圍為-10到IOmm/s，使用1024道多道分析器採集數據，步長為10/1024。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(2)中，使用固定在Rh晶格中的Co57作為放射源。
全文摘要
本發明涉及一種測定鋼中Laves相含量的方法。在穆斯堡爾譜儀器中採用透射模式對樣品進行測定得到樣品的計數與都卜勒速度關係；將得到的實驗數據放入Recoil中，結合譜線形狀以及各含鐵相判定可能峰譜數量和對應的可能性相；將譜線可能對應相中元素對於鐵元素的超精細場值的影響值導入軟體中進行自動擬合，當峰譜形狀一致同時誤差值較小時則擬合完成；將擬合結果導出，查看對應相所佔比例。本發明制樣技術簡單，能夠得到鋼中含鐵相的比例值，且結果十分準確。
文檔編號G01N23/06GK103234989SQ201310134969
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月18日 優先權日2013年4月18日
發明者楊兵, 萬強, 王如意, 劉輝東 申請人:武漢大學