火电厂用钢 金属学基础知识 钢的热处理 钢的力学性能和微观组织.ppt

火电厂金属材料,二五年十月,材料技术部李益民电话：029-8210240113909189463Emai:liyimin,主要内容,一.火电机组用钢的特点和钢的分类二.金属材料基本知识三.金属热处理四.钢的力学性能和微观组织五.火电机组用钢六.锅炉部件失效案例及原因七.火力发电厂金属技术监督八.部件寿命评估,一.火电机组用钢的特点和钢的分类（1）,1.钢铁材料在火电机组中的应用特点用量大火电机组基本是由钢铁材料制成以锅炉为例（见表1）表1锅炉蒸发量与用钢重量之间的关系,一.火电机组用钢的特点和钢的分类（2）,钢种多碳素钢、低合金钢、中合金钢、高合金钢、不锈钢、铸钢等品种多板材、管材、棒材、型材、锻件、铸件要求高工艺性能、力学性能、使用性能,一.火电机组用钢的特点和钢的分类（3）,2.钢铁材料的分类按化学成分分类碳素钢低碳钢（碳含量0.25%）中碳钢（碳含量0.25%0.60%）高碳钢（碳含量0.60%）合金钢低合金钢（合金元素含量3.5%）中合金钢（合金元素含量3.5%10%）高合金钢（合金元素含量10%）,一.火电机组用钢的特点和钢的分类（4）,按用途分类结构钢耐热钢：低合金耐热钢、中合金耐热钢、耐热不锈钢弹簧钢轴承钢耐酸不锈钢,一.火电机组用钢的特点和钢的分类（5）,按金相组织分类铁素体钢一般为钢在退火状态下获得的组织,典型的为铁素体不锈钢珠光体钢钢中合金元素含量较低,在空气中冷却,可得到珠光体马氏体钢钢中合金元素含量较高,在空气中冷却,可得到马氏体贝氏体钢钢中合金元素含量较低,在空气中冷却,可得到贝氏体奥氏体钢钢中合金元素含量很高,在空气中冷却,奥氏体到室温仍不转变,一.火电机组用钢的特点和钢的分类（6）,按品质分类普通钢磷含量0.045%，硫含量0.055%；或磷、硫含量均0.050%优质钢磷、硫含量均0.040%高级优质钢磷含量0.035%，硫含量0.030%高级优质钢A超级优质钢C特级优质钢E,一.火电机组用钢的特点和钢的分类（7）,按冶炼方法分类平炉钢（酸性平炉钢、碱性平炉钢）转炉钢（酸性转炉钢、碱性转炉钢）电炉钢（电弧炉钢、电渣炉钢、感应炉钢、真空感应炉钢、真空自耗炉钢、电子束炉钢）,二.金属材料基本知识（1）,1.晶体学基本知识三种典型的晶体结构晶体缺陷晶体缺陷的分类点缺陷,图1点缺陷的类型,二.金属材料基本知识（2）,线缺陷（a）刃型位错,图2刃型位错原子模型,图3晶体中由于刃型位错引起的局部滑移,二.金属材料基本知识（3）,线缺陷（b）螺型位错,图4晶体的局部滑移,图5螺型位错的原子组态,二.金属材料基本知识（4）,线缺陷（c）混合型位错,图6混合位错的局部滑移和原子组态,二.金属材料基本知识（5）,线缺陷（d）位错密度位错密度的两种表示：（1）单位晶体所包含的位错线的总长度SV(1)式中S为该晶体中位错线的总长度，V是晶体的体积，的单位为mm3。（2）穿过单位截面积的位错线的数目nA(2)式中n为穿过面积A的位错线数目，A为截面积。,二.金属材料基本知识（6）,（e）位错理论的应用（1）对晶体变形滑移的解释（2）裂纹的产生,图7理想晶体的滑移模型,二.金属材料基本知识（7）,面缺陷（a）晶界特点（b）晶界分类（c）晶界作用,二.金属材料基本知识（8）,2Fe-Fe3C相图铁与碳的特性铁的特性碳的特性铁和碳的作用,图8FeFe3C合金平衡状态图,二.金属材料基本知识（9）,FeFe3C相图分析包晶转变（液固转变）同素异构转变磁性转变共析转变Fe3C的脱溶（PQ线）共晶转变,二.金属材料基本知识（10）,Fe-Fe3C相图的应用制定热加工工艺偏离平衡组织分析偏析伪共晶组织伪共析组织魏氏组织,图9伪共晶组织区域示意图,图10伪共析组织区域示意图,二.金属材料基本知识（11）,3FeC合金相和组织相组织铁素体（或F）（照片1）奥氏体（或A）珠光体（P）、屈氏体、索氏体（照片2）滲碳体（C或Fe3C）石墨（照片3）贝氏体（B）B上（照片4）B下（照片5）马氏体（M）低碳马氏体（照片6和7）高碳马氏体（照片8）,二.金属材料基本知识（12）,照片1铁素体(纯铁退火)500,照片2珠光体+铁素体（40#退火）500,二.金属材料基本知识（13）,照片3铁素体+石墨（可锻铸铁退火）100,照片4上贝氏体（20CrMo等温淬火）600,二.金属材料基本知识（14）,照片5下贝氏体（35CrMnSi等温淬火）600,照片6低碳马氏体（15#钢）400,二.金属材料基本知识（15）,照片7低碳马氏体（透射电镜照片）80000,照片8高碳马氏体400,二.金属材料基本知识（16）,4金属的缺陷表面缺陷夹层发纹白点（照片9）疏松（照片10）偏析（照片11）夹杂物（照片12）脱碳过热过烧内氧化,二.金属材料基本知识（17）,照片9白点(横截面)0.5,照片1045#钢坯中严重的一般疏松,二.金属材料基本知识（18）,照片11方框偏析0.5,照片12硫化物夹杂320,二.金属材料基本知识（19）,5合金元素在钢中的存在状态和作用5.1合金元素在钢中的存在状态固溶体间隙固溶体置换固溶体金属间化合物碳化物、氮化物和硼化物Laves相相NiAl、Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Nb形成氧化物、硫化物等游离状态,二.金属材料基本知识（20）,合金元素在钢中的作用C（碳）Cr（鉻）Mo（钼）V（钒）W（钨）Ni（镍）Mn（锰）Nb（铌）Ti（钛）Al（铝）、Si（硅）B（硼）Cu（铜）Zr（鋯）,二.金属材料基本知识（21）,6钢的强化机理固溶强化沉淀强化晶界强化净化晶界填充晶界空位晶界沉淀强化晶粒细化马氏体强化形变强化冶金强化综合强化,三.钢的热处理（1）,1热处理基本知识基本概念相变临界点奥氏体化过冷奥氏体转变过冷奥氏体转变图过冷奥氏体等温转变过冷奥氏体等温转变曲线(图10)过冷奥氏体连续冷却转变曲线(图11),三.钢的热处理（2）,图10过冷奥氏体等温转变曲线,图11过冷奥氏体连续冷却转变曲线,三.钢的热处理（3）,1退火定义退火目的降低钢的强度、硬度、便于切削加工；提高塑性，利于冷变形加工；改善或消除毛坯在铸、锻、焊接时造成的成分或组织不均（如偏析、带状组织等），以提高其工艺性能和使用性能；细化晶粒，改善高碳钢中碳化物的分布和形态，消除内应力，为最终热处理做好准备，同时也有利于减小工件淬火时产生的变形和开裂倾向,三.钢的热处理（4）,退火工艺完全退火不完全退火扩散退火去应力退火再结晶与再结晶退火防白点退火脱氢处理。中间退火稳定化退火,三.钢的热处理（5）,1.正火定义正火目的2.淬火定义淬火目的淬火工艺单液淬火等温淬火表面淬火,三.钢的热处理（6）,5.回火定义回火目的改善工件的塑性和韧性，同时还能保持一定的强度和硬度。部分或全部消除工件淬火引起的宏观内应力，使片状马氏体中的显微裂纹部分愈合。稳定组织，对于精密部件来说即稳定尺寸。回火工艺低温回火中温回火高温回火（调质处理）,三.钢的热处理（7）,6奥氏体不锈钢热处理固溶处理（不锈钢淬火）稳定化处理除应力处理,三.钢的热处理（8）,7.时效自然时效人工时效8.表面热处理化学表面热处理渗碳：气体渗碳；固体渗碳；盐浴渗碳渗氮：气体渗氮；液体渗氮渗铝喷丸,四.钢的力学性能和微观组织（1）,1应力与应变应力标称应力正应力拉应力压应力切应力扭应力应变,四.钢的力学性能和微观组织（2）,2.拉伸性能及试验2.1拉伸性能,图12低碳钢的拉伸曲线,四.钢的力学性能和微观组织（3）,屈服强度RP0.2(s、0.2）RP0.2P0.2F0抗拉强度Rm（b）RmPmaxF0断裂伸长率A（LfL0）L0A（4(国外用)、5、10），对同一种材料4510断面收缩率Z（）Z（F0Ff）F0,四.钢的力学性能和微观组织（4）,拉伸试验方法GBT2282002金属材料室温拉伸试验方法GB/T43381995金属材料高温拉伸试验方法GB3652金属管材高温拉伸试验方法GB2652焊缝（及堆焊）金属拉伸试样方法GB2651焊接接头拉伸试验法,四.钢的力学性能和微观组织（5）,3.硬度及试验硬度定义常用的几种硬度值布氏硬度值洛氏硬度表面洛氏硬度值维氏硬度值肖氏硬度值里氏硬度值,四.钢的力学性能和微观组织（6）,试验方法GBT231.12002金属布氏硬度试验第1部分:试验方法GBT231.22002金属布氏硬度试验第2部分:硬度计的检验与校准GBT231.32002金属布氏硬度试验第3部分:标准硬度块的标定GB/T230.12002金属洛氏硬度试验第1部分:试验方法GB/T230.22002金属洛氏硬度试验第2部分:硬度计的检验与校准GB/T230.32002金属洛氏硬度试验第3部分:标准硬度块的标定,四.钢的力学性能和微观组织（7）,GB/T18181994金属表面洛氏硬度试验方法GB/T4340.11999金属维氏硬度试验第1部分：试验方法GB/T4340.21999金属维氏硬度试验第2部分:硬度计的检验GB/T4340.31999金属维氏硬度试验第3部分:标准硬度块的标定GB/T43412001金属肖氏硬度试验方法GB/T173941998金属里氏硬度试验方法,四.钢的力学性能和微观组织（8）,4.冲击试验冲击吸收功(冲击功)冲击韧性冲击功与冲击韧性的关系韧脆转变温度断口形貌转变温度FATT50试验方法无塑性转变温度（NDT）,四.钢的力学性能和微观组织（9）,疲劳高周疲劳（HCF）S-N（应力寿命）曲线（图14）疲劳极限P-S-N（存活率-应力寿命）曲线（图15）。试验标准,四.钢的力学性能和微观组织（10）,图14S-N曲线,图1516Mn钢旋转弯曲疲劳缺口试样,四.钢的力学性能和微观组织（11）,低周疲劳（LCF）循环硬化与软化（图16）-N（应变寿命）曲线（图17）试验标准,四.钢的力学性能和微观组织（12）,图16BHW35钢的应力-循环周次关系,图17BHW35钢及其电渣焊缝综合疲劳寿命曲线,四.钢的力学性能和微观组织（13）,热疲劳高温疲劳热机械疲劳腐蚀疲劳,四.钢的力学性能和微观组织（14）,6材料的断裂力学特性材料的断裂韧性平面应变断裂韧性KC应力强度因子断裂韧性KC平面应变断裂韧性KCKIC判据试验标准,四.钢的力学性能和微观组织（15）,裂纹张开位移CTOD裂纹张开位移临界值c表观启裂韧度i条件启裂韧度0.05脆性启裂韧度c脆性失稳韧度uCOD判据试验标准,四.钢的力学性能和微观组织（16）,图19SA299钢焊缝材料的a曲线,四.钢的力学性能和微观组织（17）,J积分表观启裂韧度i表观启裂韧度Ji延性断裂韧度JICJ积分判据试验标准,四.钢的力学性能和微观组织（18）,图2016Mn钢的JR阻力曲线,四.钢的力学性能和微观组织（19）,疲劳裂纹扩展速率dadN定义试验方法,图21BHW35钢在350下的dadNK曲线,四.钢的力学性能和微观组织（20）,蠕变裂纹扩展速率dadt定义试验方法,图22A470(Cr-Mo-V)钢在538下的dadtCt曲线,四.钢的力学性能和微观组织（21）,7金属材料的高温长期性能金属材料的高温蠕变强度蠕变蠕变断裂持久强度试验方法,四.钢的力学性能和微观组织（22）,图23金属材料典型的蠕变曲线,四.钢的力学性能和微观组织（23）,金属材料蠕变及持久试验数据的处理蠕变强度：T/；Tv,图2412Cr1MoV钢多炉次580下的蠕变曲线,四.钢的力学性能和微观组织（24）,料蠕变及持久试验数据的处理持久强度等温线外推法=k（tr）m,图2512Cr1MoV钢多炉次580下的持久强度曲线,四.钢的力学性能和微观组织（25）,1、原始状态2、运行29800h3、运行50000h图2610CrMo910钢管不同运行时间后的持久强度曲线,四.钢的力学性能和微观组织（26）,图2710CrMo910钢550下的持久强度曲线,四.钢的力学性能和微观组织（27）,等应力外推法T=k(tr)m,图2810CrMo910钢恒应力下的（T-tr）关系曲线,四.钢的力学性能和微观组织（28）,Larson-Miller（L-M）参数法P()=T(lgtr+C),图2910CrMo910钢的L-M参数曲线,图3012Cr1MoV钢的L-M参数曲线,四.钢的力学性能和微观组织（29）,修正法描述材料蠕变曲线的方程i参数的求解(图31)建立了两种材料的i与应力、温度的关系(图32)外推曲线（图33）法的特点,四.钢的力学性能和微观组织（30）,图3112Cr1MoV钢的蠕变曲线,四.钢的力学性能和微观组织（31）,图3212Cr1MoV钢i-的关系曲线,四.钢的力学性能和微观组织（32）,图3