311 vlastnosti a struktura oceli p91) -...

METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________

CREEPOVÉ VLASTNOSTI A STRUKTURA OCELI P91 CREEP PROPERTIES AND STRUCTURE OF STEEL P91

Jan Hakl1, Tomáš Vlasák1, Jiří Kudrman2

1SVÚM a.s., areál VÚ, Podnikatelská 565, 190 11 Praha 9 2UJP PRAHA a.s., Nad Kamínkou 1345, 156 10 Praha 5

Abstrakt: Ocel P91 patří mezi materiály, určené pro teploty 550 - 650°C. Důležitými podklady pro konstrukční návrh jsou creepové charakteristiky. Na základě našich měření, které zpracovávají výsledky v rozsahu 87 441 zkušebních hodin, je pro tento materiál uvedena pevnost při tečení, meze tečení 1 a 2% a minimální rychlosti tečení. Dále je popsán stav struktur po dlouhodobém žíhání při teplotách 600 až 700°C, který je kvantitativně vyhodnocen. Abstract: Steel P91 is included among materials which can operate under temperatures 550 – 650°C. Important basis for construction design are creep characteristics. On the basis of our work, which evaluate measurements in the extent of 87 441 testing hours, for this material there are determined creep rupture strength, strength for 1 and 2% creep strain and minimum creep strain rate. Additionally it is described the state of structure after long term annealing at temperatures 600 – 700°C which is quantitatively evaluated. 1. ÚVOD

P91 je feritická ocel, obsahující 9%Cr – 1%Mo, je mikrolegovaná vanadem a niobem a dále kontrolovaným obsahem dusíku. Její úplné chemické složení podle ASTM A 335 [1] je v Tab.I. Je určena pro výrobu výkovků, odlitků, plechů a trubek, jejichž aplikace se uvažuje při teplotách 550 – 650°C. Její hlavní výhody jsou [1,2]:

- vysoká žárupevnost a plasticita při tečení, - vysoká teplotní vodivost a nízká teplotní roztažnost, - zvýšená korozní odolnost v prostředí vodíku, vodní páry a zplodin hoření, - dobré technologické vlastnosti, - relativně nízká cena.

Náš příspěvek se bude týkat pouze dílčí problematiky, a to creepových vlastností, které se v literatuře běžně nevyskytují. Dále bude zhodnocena struktura oceli P91, a to po dlouhodobém žíhání při teplotách 600, 650 a 700°C. 2. EXPERIMENT

Byla zajištěna tavba E5152 oceli P91, vyrobená v a.s. Vítkovice, jejíž chemické složení je uvedeno v Tab.I.

Tab. I – Chemické složení oceli P91 (hm.%) Tab. I – Chemical composition of P91 steel (% wt) Složení C Mn P S Si Cr Mo V Nb N Al Ni ASTM A 335

Min 0,08 0,30 0,20 8,00 0,85 0,18 0,06 0,03 Max 0,12 0,60 0,02 0,01 0,50 9,50 1,05 0,25 0,10 0,07 0,04 0,40

E5152 0,10 0,40 0,015 0,006 0,43 8,50 0,88 0,23 0,10 0,045 0,018 0,10


Materiál byl tepelně zpracován postupem 1065±25°C/1h/vzd.+745 ±15°C/1h/vzd. Nejprve byla část tohoto materiálu žíhána na vzduchu v komorové peci. K tomu byly použity vzorky o rozměrech cca 20x20x10 mm, které byly do pece vloženy v utěsněných Ni foliích. Žíhání bylo provedeno při teplotách 600-700°C během dob 20 až 5000h. Po tomto postupu byla měřena tvrdost. Cílem tohoto procesu

bylo najít stav, kdy materiál je téměř v rovnovážném stavu. Každý stav byl měřen čtyřikrát. Výsledky měření tvrdosti jsou graficky vyhodnoceny na obr.1. Je zřejmé, že rovnovážného stavu lze dosáhnout žíháním při 625°C po dobu 5000h. Dále byl takto žíhaný materiál podroben kvantitativní strukturní analýze. Výsledky jsou popsány v kap.4.

Výchozí materiál ve tvaru válcových polotovarů o rozměrech ∅15x120 mm byl proto při parametrech 625°C/5000 h vyžíhán a pak byly vyrobeny vzorky pro creepové zkoušky. Creep byl zkoušen na vzduchu při teplotách 575-650°C při stálém zatížení na tyčích s měrnými parametry ∅5x50 mm. Všechny zkoušky byly ukončeny lomem a celkem bylo dosaženo 87 440 zkušebních hodin.

3. HODNOCENÍ EXPERIMENTU

3.1. Pevnost při tečení Nejprve byla vyhodnocena

závislost napětí – Larson Millerův parametr (PLM) podle dat uvedených v [1]. Jedná se o hodnoty, zapsané v Tab.II a reprezentující výsledky zkoušek v celkové době do lomu 560 000 h. Pro jejich vyhodnocení byl použit model [3].

,log 2321 LMLM PAPAA ⋅+⋅+=σ (1)

kde PLM

=T.(log tr+A4), T je teplota (K), σ je napětí (MPa), t je doba do lomu (h) a A1-4 jsou materiálové konstanty, uvedené v Tab.III. Z důvodů možnosti srovnání byla použita konstanta A4=30 shodně s [1]. Tato závislost je znázorněna na obr.2.

PLM=30267-

625°C/5000h

200

220

240

260

280

300

320

340

360

27000 28000 29000 30000 31000 32000 33000

PLM=T.(log(tz)+30)

Tvr

do

st H

V 3

0

600°C

650°C

700°C

výchozí stav

výchozí stav

(Hv=235)

Hv=236

Obr. 1 – Závislost tvrdosti na žíhání Fig.1 – Dependence of hardness on annealing

Tab. II – Literární hodnoty pevnosti při tečení oceli P91 Tab. II – Creep strength of P91 steel from literature

Doba (h)

Teplota (°C) 500 525 550 575 600 625 650

104 175 160 150 142 125 98 (68) 105 164 153 141 124 98 68 (43)

Tab. III – Parametry modelů (1-3) Tab. III – Parameters of model (1-3)

Model (1) Model (2) Model (3) Podle [1] Vlastní výsl. Mez 1% Mez 2% C1 3,062813E+1

A1 -1,292796E+1 -1,897491E+0 B1 -6,003267E-1 1,475064E-1 C2 9,858999E+0 A2 1,118698E-3 3,727119E-4 B2 2,868900E-4 2,291362E-4 C3 -5,527860E-2 A3 -2,065416E-8 -8,032499E-9 B3 -6,716841E-9 -5,557456E-9 C4 -1,243402E-1 A4 3,000000E+1 3,000000E+1 B4 3,000000E+1 3,000000E+1 C5 8,051793E+2

C6 1,198482E-3


Obr. 4 – Vyhodnocení doby do lomu na teplotě a napětí modelem (1) Fig. 4 – Dependence evaluation of time rupture on temperature and stress by model (1).

Obr. 2 – Závislost napětí na PLM dle literárních dat [1] Fig. 2 – Stress dependence on PLM according to literature [1]

Obr. 3 – Porovnání literární závislosti (křivka) a experimentálních výsledků Fig. 3 – Comparison of literature data (curve) and experimental results

Následující obr.3 znázorňuje vyhodnocenou křivku a výsledky našich zkoušek pevnosti při tečení po žíhání při 625°C/5000 h. Je zřejmé, že výsledky odpovídají průběhu střední hodnoty podle [1] nebo jsou mírně lepší. Naše výsledky byly tedy vyhovující a byly vyhodnoceny pomocí modelu (1) a jsou znázorněny na obr.4. Parametry A1-4 jsou uvedeny v Tab. III.

3.2. Mez tečení Příklady některých creepových křivek jsou na obr. 5a-c. Křivky byly vyhodnoceny jednotlivě postupem publikovaným v [4].

575°C 600°C 625°C Obr. 5 – Příklady creepových křivek oceli P91 Fig. 5 – Creep curves of P91

10

100

1000

27000 27500 28000 28500 29000 29500 30000 30500 31000

PLM=T.(log(tr)+30), [K,h]

Nap

ětí

[MP

a]

550°C/103h 550°C/10

4h 550°C/10

5h

600°C/103h

600°C/104h 600°C/10

5h

10

100

1000

26500 27500 28500 29500 30500 31500


Nap

ětí

[MP

a]

P91 book

Teplota 575°C

Teplota 600°C

Teplota 625°C

Teplota 650°C

10

100

1000

10000

100000

50 70 90 110 130 150 170 190 210 230

Napětí [MPa]

Do

ba

do

lo

mu

[h

]

Teplota 575°C

Teplota 600°C

Teplota 625°C

Teplota 650°C

550°C

650°C

625°C 600°C 575°C

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1000 2000 3000 4000

Čas (h)

De

form

ac

e (

%)

575°C/180MPa

575°C/170MPa

575°C/160MPa

0

2

4

6

8

10

12

0 5000 10000 15000 20000 25000

Čas (h)

De

form

ac

e (

%)

600°C/140MPa600°C/120MPa600°C/110MPa

0

5

10

15

0 5000 10000 15000 20000

Čas (h)

De

form

ac

e (

%)

625°C/120MPa625°C/100MPa625°C/90MPa

METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Dále byly vyjádřeny teplotní a napěťové závislosti meze tečení. K vyhodnocení mezí tečení byl použit opět model, shodný s (1), a to

,log 213

1211 LMLM PBPBB ⋅+⋅+=σ (2)

kde 1PLM=T(log t1+B4), T je teplota (k), σ1 je napětí (MPa), t1 je doba do dosažení 1% (nebo jiné) plastické deformace (h), B1-4 jsou materiálové konstanty, uvedené v Tab.III. a na obr.6 jsou ukázány průběhy mezí tečení 1% a 2%.

3.3. Rychlost tečení Pro vyhodnocení rychlostí tečení byl použit model podle [4,5] ve tvaru

( )[ ]

( )[ ],TCsinhlogC

1

T

1logC

TCsinhlogCC

1

T

1logCClog

65

4

635

21

⋅σ⋅⋅−⋅+

+⋅σ⋅⋅+−⋅+=ε&

(3)

kde ε& je minimální rychlost tečení (%/h), σ je napětí (MPa), T je teplota (K), C1-6 jsou materiálové konstanty, uvedené v Tab.III. Rychlosti tečení jsou znázorněny na obr.7. 4. 4. STRUKTURNÍ ANALÝZA

4.1. Postup řešení Vzorky vyžíhané při teplotách 600 –

700°C byly pro metalografické studium připraveny obvyklým postupem mechanického broušení a leštění. Struktura pak byla zviditelněna leptáním v roztoku 15 cm3 H2SO4, 5 cm3 HNO3 a 95 cm3 destilované H2O. Leptání bylo provedeno při teplotě 20°C a napětí 15 V. Kromě světelné mikroskopie byla provedena na elektronovém mikroskopu i analýza kolódiových replik, sejmutých z naleptaných výbrusů.

Pro posouzení struktur byla provedena kvantitativní stereologická analýza. Byly stanoveny strukturní parametry, hodnotící disperzitu a distribuci karbidických částic v objemu. Způsob vyloučení karbidů na rozhraní desek a postupná změna této struktury nedovolila sledovat odděleně změny parametrů částic uvnitř zrn a na jejich rozhraních.

Na kolódiových replikách byly v elektronovém mikroskopu měřeny průměry řezů částicemi uvnitř zrn (dS)C a počty částic na jednotku plochy výbrusu (NS)C. Počet měřených

Obr. 7 – Závislost minimálních rychlostí na teplotě a napětí Fig. 7 – Dependence of minimum creep rate on temperature and stress

Obr. 6 – Meze tečení v závislosti na PLM Fig. 6 – Dependence of strength for specific creep strain on PLM

10

60

110

160

210

260

25000 26000 27000 28000 29000 30000 31000 32000


Mez

teč

ení

[MP

a]

Mez tečení 1%

Mez tečení 2%

Mez pevnosti

0,00001

0,0001

0,001

0,01

0,1

70 90 110 130 150 170 190 210

Napětí [MPa]

Ryc

hlo

st t

ečen

í [%

/h]

550°C

650°C

625°C 600°C 575°C

METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ míst byl minimálně 25, přičemž počet vyhodnocených částic minimálně 500. Z těchto veličin pak byly vypočteny pomocí Saltykovovy momentové metody [6] odpovídající kvantitativní strukturní parametry.

Při tomto postupu se užívá statistický symbol µ, který značí aritmetický průměr veličiny, uvedené za tímto symbolem v závorce. Index symbolu určuje mocninu, ve které je veličina průměrována. Ku příkladu v případě výpočtu (dS)C je tento vztah dán

∑=

− =n

i CS

CSdn

d1

1 ,)(

11)(µ

kde n je počet měření.

K výpočtům stereologických strukturních parametrů bylo použito následujících vztahů:

a) rozměr středně veliké částice karbidu [ ] ,)(2

)( 11

−

−= CsCV dD µπ

(4)

b) počet částic karbidů v jednotce objemu [ ] ,)()(2

)( 1 CSCsCV NdN ⋅= −µπ

(5)

c) střední volná vzdálenost karbidů v objemu [ ] ,)()(2

1)( 2

1−

⋅= CVCVCV DNL (6)

d) objemový podíl karbidů [ ] ,)()(4

)( 2 CSCSCV NdV ⋅= µπ

(7)

4.2. Kvalitativní vyhodnocení struktur Ve výchozím stavu (viz obr.8) měla ocel charakteristickou strukturu po zušlechtění,

tvořenou feritickými deskami a globulárními karbidy (zřejmě zejména M23C6). S teplotou a dobou žíhání se velikost karbidických částic měnila. Během žíhání při teplotě 600°C byla pozorována postupná precipitace karbidů (viz obr.9). Kromě globulárních částic bylo možno ve struktuře pozorovat hustě vyloučené jemné destičkovité karbidy (zřejmě karbidy vanadu), a to uvnitř zrn. Žíháním při teplotě 650°C byla s růstem doby na teplotě morfologie feritických desek již postupně setřena a ve struktuře byla zřejmá přítomnost hrubnoucích karbidů (viz obr.10). Tento proces bylo pak možno sledovat i při teplotě 700°. Morfologie struktury se již neměnila (viz obr.11).

500x 500x Obr. 8 – Struktura výchozího stavu Fig. 8 – Initial state microstructure

Obr. 9 – Struktura po žíhání 600°C/5000h Fig. 9 – Microstructure after 600°C/5000h


500x 500x Obr. 10 – Struktura po žíhání 650°C/5000h Fig. 10 – Microstructure after 650°C/5000h

Obr. 11 – Struktura po žíhání 700°C/1000h Fig. 11 – Microstructure after 700°C/1000h

4.3. Kvantitativní metalografie Uvedené kvalitativní procesy jsou kvantitativně charakterizovány na obr.12-15. Na

těchto obrázcích je zachována hodnota PLM, která se ukázala být vhodná při hodnocení žárupevnosti. Vzhledem k tomu, že ocel je vhodná pro aplikaci při teplotách 550 – 650°C, je zde ještě časová osa pro teplotu 600°C.

Velikost karbidických částic (DV)C se zpočátku neliší od výchozího stavu. V průběhu žíhání však částice hrubnou (viz obr.12). Při teplotě expozice 600°C hrubnutí karbidů však nastává až při časech zhruba 105h a vyšších.

Počet částic karbidů (NV)C nejprve narůstá na zhruba dvojnásobek výchozí hodnoty a po překonání maxíma klesá (viz obr.13). Na úroveň výchozí hodnoty se dostane při expozici na teplotě 600°C zhruba po 105h. Pak klesá dále-asi na polovinu výchozí hodnoty. Tato skutečnost však nastane při teplotě 600°C až po 106-107h.

Obr. 12 – Rozměr středně velikého karbidu Fig. 12 – Dimension of mean carbide

Obr. 13 – Počet karbidů v jednotce objemu Fig. 13 – Unit number of carbides

Z hlediska změn vlastností materiálu je nejcitlivějším parametrem vzdálenost karbidických částic (LV)C. Závislost tohoto parametru na době žíhání má opačný charakter ve srovnání s počtem karbidů v jednotce objemu (NV)C (viz obr.13 a 14). Z obr.14 je však zřejmé, že při expozici na teplotě 600°C při 105h nastává situace, která je ve výchozím stavu. Při delších časech (tj.106-107h při 600°C) se vzdálenost zvyšuje.

1

1,5

2

2,5

3

3,5

27000 28000 29000 30000 31000 32000 33000

PLM=T.(log(tz)+30)

Vel

iko

st č

ásti

c (D

v)c

[104

.mm

]

600°C

650°C

700°C

výchozí stav

102

103

104

105

106

107

tz [h] při 600°C

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

27000 28000 29000 30000 31000 32000 33000

PLM=T.(log(tz)+30)

Po

čet

část

ic (

Nv)

c [1

0-10.m

m-3

]

600°C

650°C

700°C

výchozí stav

102

103

104

105

106

107

tz [h] při 600°C


Obr. 14 – Střední volná vzdálenost karbidů Fig. 14 – Mean free carbide distance

Obr. 15 – Objemový podíl karbidů Fig. 15 – Volume carbide proportions

Objemový podíl karbidů (VV)C se z počáteční hodnoty 4% zvyšuje na 6,5% při expozici 104-5.105h při teplotě 600°C (viz obr.15). Při teplotě expozice 700°C však nastává anomálie. Objemový podíl (VV)C je nižší vzhledem k vyšší rozpustnosti C v tuhém roztoku α. Hodnoty (VV)C jsou proto téměř na úrovni výchozí stavu a zachovávají si stálou úroveň. Tato skutečnost je však z hlediska aplikace nevýznamná.

Celkově vzato však uvedené strukturní změny nebyly v oblasti aplikačních podmínek příliš intenzivní. Jiné fáze než karbidické nebyly detekovány.

5. Závěr

Ocel P91 patří mezi 9-12%Cr ocele a je určena pro teploty použití 550 – 650°C. Důležitými podklady pro konstrukční návrh jsou creepové charakteristiky. Na základě našich měření jsou pro tento materiál kromě pevnosti při tečení uvedeny i meze tečení pro 1% a 2% deformace a minimální rychlosti tečení.

Dále byly kvantitativně vyhodnoceny změny struktury, ke kterým dochází žíháním při teplotách 600 až 700°C po dobu až 5000 h.

Literatura

[1] The P91 book. Ferritic pipe for high temperature use in boilers and petrochemical applications. Vallourec Industries, France, 1992.

[2] JAKOBOVÁ,A.-VELÍSEK,J.-HUBÁČEK,M.-STANĚK,B.: Nová progresivní ocel P91, její použití a zkušenosti s výrobou v a.s.Vítkovice. Sborník konference Progresivní materiály pro energetické a chemické strojírenství, str.III 1 – 7. VTS Vítkovice, Soláň 1993.

[3] SEIFERT,W.-MELZER,B.: Rechnerische Auswertung von Zeitstandversuchen am Beispiel des Stahles 13CrMo4-4.15.Vortragsveranstaltung „Langezeitverhalten warmfester Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe“, Düsseldorf, 06.11.1992.

[4] BÍNA,V.-HAKL,J.: Relation between creep strength and strength for specific creep strain at temperatures up to 1200°C. Materials Science and Engineering A234-236 (1997), pp.583-586.

[5] PECH,R.-KOUCKÝ,J.-BÍNA,V.: Matematizace hodnot pevnosti při tečení československých ocelí pro výrobu trub. Strojírenství 29(1979), č.7, s.389.

[6] SALTYKOV,S.A.: Stereometričeskaja metallografija. Metallurgija, Moskva, 1970.

Tato práce vznikla za podpory MŠMT ČR – projekt COST 536 (1P05 OC020).

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

27000 28000 29000 30000 31000 32000 33000

PLM=T.(log(tz)+30)

Vzd

álen

ost

čás

tic

(Lv)

c [1

04 .mm

] 600°C

650°C

700°C

výchozí stav

102

103

104

105

106

107

tz [h] při 600°C

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

7,5

8

27000 28000 29000 30000 31000 32000 33000

PLM=T.(log(tz)+30)

Ob

jem

ový

po

díl

čás

tic

(Vv)

c [%

] 600°C

650°C

700°C

výchozí stav

102

103

104

105

106

107

tz [h] při 600°C

311 vlastnosti a struktura oceli p91) -...

Documents