石墨化

钢的石墨化

石墨化多用于指钢的石墨化。钢件在工作温度和应力长期作用下，会使碳化物分解成游离的石墨，这个过程也是自发进行的，称为P热强钢的石墨化过程、它不但消除了碳化物的作用，而且石墨相当于钢中的小裂纹，使钢的强度和塑性显著降低而引起钢件脆断。通常把铸铁中的石墨形成过程称为石墨化过程。

发现历史

低碳锅炉钢的石墨化是1943年被发现的。当时美国某电厂一条由0.5%Mo钢制的φ325×36 mm主蒸汽管道在505℃运行了5年半后，突然在焊缝热影响区一个截面上脆断，造成厂房损坏和人员伤亡。事后检验发现断裂处析出了大量的链状石墨，钢的冲击韧性降低到接近零的水平。这一事故引起了世界各国的注意，并因此规定了要定期对低碳钼钢管作石墨化检验。继后检验发现，低碳钢和低碳钼钢过热器管和主蒸汽管道等在高温下长期运行后，石墨化现象是普遍存在的。

发生原理

石墨化是利用热活化将热力学不稳定的碳原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有序转化，因此，在石墨化过程中，要使用高温热处理（HTT）对原子重排及结构转变提供能量。为了使难石墨化炭材料的石墨化度得到提高，也可以使用添加催化剂方法，称为催化石墨化。

钢在高温、应力长期作用下，由于珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象，Fe3C-->3Fe+C(石墨)，称为石墨化或析墨现象。石墨化的第一步是珠光体球化，石墨化是钢中碳化物在高温长期作用下分解的最终结果，石墨化使钢材发生脆化，强度和塑性降低，冲击韧性降低的更多。

钢中渗碳体分解成为游离碳并以石墨形式析出，在钢中形成石墨 “夹杂”的现象。火力发电厂锅炉钢管等高温构件，用低碳钢和低碳钼钢等不含铬的珠光体耐热钢，在高温长期运行过程中会随时间而产生石墨化。

抑制措施

向钢中加入Cr、Ti、Nb等合金元素，均能阻止石墨化过程；另外，在冶炼时不能用促进石墨化的Al脱氧；采用退火或回火处理也能减少石墨化倾向。

一般是在2000～3300℃的氩气或者氮气气氛中进行，在该过程中分子结构在原碳化基础上，进一步形成类石墨的“乱层结构”，除碳以外的其他杂原子进一步气化而降至1%以下，因此碳纯度较高，纤维模量和耐热性和导电性等随石墨化温度的提高而提高，而强度和伸长率有所下降。

评级

为评定石墨化的影响制定的石墨化级别，是一组具有不同程度石墨化的金相图片，以便在电厂金相检验时对照用。一般按析出石墨量的多少分成四个等级： 1级为石墨化现象不明显，2级为已明显石墨化，3级为已严重石墨化，4级为已很严重的石墨化。通常在石墨化3～3.5级时，钢中60%左右的碳均已成为石墨。

影响因素

有温度、合金元素、钢中缺陷和焊接等。碳钢450℃以上，0.5%Mo钢在480℃以上产生石墨化。温度愈高，石墨化进程愈快。但到700℃时，已生成的石墨反会与铁结合成渗碳体。合金元素中铝、镍、硅等促进石墨化，其中铝影响最大。铝是炼钢时脱氧加入的，为此规定低碳和低碳钼钢锅炉钢冶炼脱氧时不用铝，或铝加入量每吨钢不超过0.25 kg。铬、钛、铌等元素阻止石墨化，其中以铬最有效。在低碳钢中加入0.3%～0.5%铬就可有效地阻止石墨化。运行经验证明，含铬的珠光体耐热钢在运行中不产生石墨化。金属中裂纹、重皮等缺陷处和应力集中处最易产生石墨化，另外冷变形区域和焊接热影响区域也易产生石墨化。

在低碳钢和低碳钼钢等珠光体耐热钢中，可以同时发生珠光体球化和石墨化过程，这是由于两过程有相同的影响因素(如温度等)作用的缘故。但是，由于两过程又有不同的影响因素，如铝的影响等，并非球化进程同时一定发生石墨化进程。

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