锅炉材料及损伤失效基础-锅检师讲课20150423 一

中国特种设备检测研究院锅炉材料及损伤失效基础中国特种设备检测研究院钱lbqian@163.com一.锅炉材料常见基本组织1.钢和铸铁2.钢及铸铁中的几种基本组织（1）铁素体：碳原子溶于体心立方α—Fe中形成的间隙

固溶体。以α或F表示。

（2）渗碳体：晶体结构属正交系，化学式为Fe3C的金属

化合物，是钢和铁中常见的固相，在合金

钢中为合金渗碳体。（3）奥氏体：碳原子溶于面心立方晶格γ—Fe中所形成

的间隙固溶体，以A表示。中国特种设备检测研究院（4）珠光体：由铁素体和渗碳体所组成的机械混合物，

通常呈片层状相间分布，以P表示。（5）索氏体：过冷奥氏体在600℃～650℃左右分解所形

成的珠光体，其片层较薄，以S表示。

（6）屈氏体：过冷奥氏体在650℃～550℃左右分解所形

成的珠光体，其片层极薄，以T表示。（7）贝氏体：钢奥氏体化后，过冷到珠光体转变温度区

与Ms之间的中温区等温，或连续冷却通过

这个中温区时形成的组织。按照组织形式

和形成温度不同，分为上贝氏体和下贝氏

体。上贝氏体中铁素体呈羽毛状，羽毛之

间分布有片装和棒状的渗碳体。下贝氏体

为针状的铁素体上分布有大量的渗碳体。

贝氏体中的铁素体含有较多的（或过饱和

的）碳，以B表示。中国特种设备检测研究院（8）马氏体：钢中通过无扩散共格切变型转变所形成的

产物，以M表示。（9）莱氏体：钢铁或高碳高合金钢中由奥氏体（或其转

变产物）与碳化物（包括渗碳体）组成的

共晶组织，以L表示。（10）石墨：碳的一种同素异构体，晶体结构属于六方

晶系，是铸铁中常出现的固相，其空间形

态有片状、球状、团絮状、蠕虫状等。中

以片状对金属的危害最大。中国特种设备检测研究院二.金属在高温长期运行过程中的变化（一）基本概念1.金属的蠕变在规定温度和恒应力作用下，材料塑性变形随时间而增加的现象，称为蠕变。2.金属的蠕变曲线以蠕变变形量作为时间函数所绘制的曲线，称为蠕变曲线。尽管不同的金属和合金在不同条件下所得到的蠕变曲线不尽相同，但它们都有一定的共同特征，把这些共同特征表示出来的蠕变曲线就叫做典型蠕变曲线。典型蠕变曲线见附图，它描述在恒定温度、恒定拉应力下金属的变形随时间的变化规律。中国特种设备检测研究院中国特种设备检测研究院典型蠕变曲线分为以下四个部分：（1）瞬时伸长0O’：它是加上应力的瞬间发生的。假如外加应力超过金属在试验温度下的弹性极限，则这部分瞬时伸长中既包括弹性变形，也包括塑性变形。（2）蠕变第一阶段（曲线O’A，即I）：蠕变速率随时间逐渐降低期间称为蠕变第一阶段。这一阶段的蠕变是非稳定的蠕变阶段，它的特点是开始蠕变速度较大，但随着时间的推移，蠕变速度逐步减小，到A点，金属的蠕变速度达到该应力和温度下的最小值并开始过渡到蠕变的第二阶段。由于这一阶段蠕变有着减速的特点，因此也把蠕变第一阶段称为蠕变的减速阶段。中国特种设备检测研究院（3）蠕变的第二阶段（曲线AB，即II）：蠕变速率恒定的期间称为变的第二阶段。这一阶段的蠕变是稳定阶段的蠕变，它的特点是蠕变以固定的但是对于该应力和温度下是最小的蠕变速度进行，在蠕变曲线上表现为一具有一定倾斜角度的直线段。蠕变第二阶段又称为蠕变的等速阶段或恒速阶段。中国特种设备检测研究院

（4）蠕变的第三阶段（曲线BC，即III）：蠕变速率随时间逐渐增加的期间称为蠕变的第三阶段。当蠕变进行到B点，随着时间的进行，蠕变以迅速增大的速度进行，这是一种失稳状态。直到C点发生断裂。至此，整个蠕变过程结束。由于蠕变第三阶段有蠕变不断加速的特点，所以也被称为蠕变的加速阶段。中国特种设备检测研究院3.金属的蠕变极限金属的蠕变极限是指在规定温度下使试样在规定时间内产生的蠕变总伸长率或稳态蠕变速率不超过规定值的最大应力，它表征金属材料抵抗蠕变变形的能力。对于火力发电厂的高温金属部件，蠕变极限作以下具体规定：⑴在一定温度下，能使钢材产生1×10－7毫米/毫米•（或1×10－5％/时）的第二阶段蠕变速度的应力，就称为该温度下1×10－7（或1×10－5％）的蠕变极限。所用符号为бt1×10－7（或бt1×10－5％）。⑵在一定温度下，能使钢材在105小时工作时间内发生1％的总蠕变变形量的应力，就称为该温度下的105小时变形1％的蠕变极限。所用符号为бt1/105中国特种设备检测研究院4.金属的持久强度金属的持久强度是指使用在规定的温度下达到规定的试验时间而不致断裂的最大应力，表征金属材料抗高温蠕变断裂的能力。火力发电厂高温金属部件所用材料的持久强度一般可表示为：在给定温度下，经105小时发生破坏（或断裂）的应力。其常用符号为бt105

中国特种设备检测研究院5.金属的持久塑性金属的持久塑性是指材料在一定温度及恒定试验力作用下的塑性变形。用蠕变或持久断裂后试样的延伸率和断面收缩率表示。持久断后延伸率:持久试样断裂后，在室温下标距的伸长与原始标距的百分比。持久断后断面收缩率:持久试样断裂后，在室温下横截面积最大缩减量与原始横截面积的百分比。中国特种设备检测研究院6.金属的松弛在规定温度及初始变形或位移恒定的条件下，材料中的应力随时间而减小的现象叫应力松弛。中国特种设备检测研究院（二）金属在高温长期运行过程中组织的变化锅炉高温部件所用钢材在高温长期运行过程中发生的组织性能变化主要有：珠光体的球化和碳化物的聚集；石墨化（仅限于不含铬的珠光体耐热钢）；时效和新相的形成（如不锈钢中б相的形成等）；热脆性；合金元素在固溶体中和碳化物相之间的重新分配。中国特种设备检测研究院1.珠光体的球化和碳化物的聚集珠光体球化是指钢中片层状珠光体组织，在高温长期应力作用下，珠光体中的片层状渗碳体（或碳化物），通过原子扩散方式逐渐变成球状，并随时间的延长不断聚集长大的现象。球化后的碳化物继续增大自己的尺寸，使小直径的球变成大直径的球，这就是碳化物的聚集。

一般来说，珠光体球化对钢的室温力学性能和耐热性均有一定程度的影响，对于不同的钢，其影响程度不一。中国特种设备检测研究院举例：20号钢球化评级球化名称

球化级别

组织特征未球化(原始态)1级

球光体区域中的碳化物呈片状倾向性球化2级

珠光体区域中的碳化物开始分散，

珠光体形态明显轻度球化3级

珠光体区域中的碳化物已分散，

并逐渐向晶界扩散，珠光体形态

尚明显中度球化4级

珠光体区域中的碳化物已明显分散，并

向晶界聚集，珠光体形态尚保留完全球化5级

珠光体形态消失，晶界及铁素体基体上

的球状碳化物已逐渐长大中国特种设备检测研究院中国特种设备检测研究院2.石墨化石墨化就是钢中的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，使钢的脆性急剧增大的现象。碳钢和0.5％Mo钢等不含铬的珠光体耐热钢在高温长期运行过程中会产生石墨化的现象。当钢中产生石墨化现象时，由于碳从渗碳体中析出成为石墨，钢中渗碳体数量减少；另外，石墨在钢中割裂基体，起裂纹作用，而石墨本身强度又极低，因此，石墨化对钢的强度有所影响。另外，石墨化对钢的室温冲击性能也有一定的影响。中国特种设备检测研究院3.时效和新相的形成时效过程是指工件经固溶处理或淬火后，在室温或高于室温的适当温度下保温，以达到沉淀硬化目的的一种热处理操作过程。耐热钢或耐热合金制的高温部件在长期运行过程中，从过饱和固溶体内析出一些强化相质点而使金属的性能（主要是力学性能和蠕变极限等）随时间发生变化的现象，也称时效，它是固溶体脱溶过程或脱溶分解的简称。当耐热钢和耐热合金中的固溶体由于热处理时从高温冷却较快或别的原因，使固溶于其中的合金元素来不及析出时，就形成不稳定的过饱和固溶体。在以后的运行中就会发生时效。

中国特种设备检测研究院4.热脆性热脆性是指某些钢长时间停留在400℃～550℃区间，在冷却到室温后其冲击值显著下降的现象。5.合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配钢在高温长期作用下，不但会发生珠光体球化、石墨化、时效等，钢中合金元素还会发生在固溶体和碳化物相之间的重新分配过程。这一过程的发生是由于在高温下合金元素原子活动能力的增加而产生的转移过程。中国特种设备检测研究院三.锅炉部件选材原则1.高温部件钢材选用的原则⑴足够的蠕变极限、持久强度和持久塑性；⑵高温长期运行过程中较好的组织稳定性；⑶良好的工艺性能；⑷抗氧化性能高；⑸具有高的抗热疲劳能力。中国特种设备检测研究院2.水冷壁管和省煤器管钢材选用的原则⑴应具有一定的室温强度和高温强度；⑵具有良好的抗热疲劳性能和供热性能；⑶具有良好的抗腐蚀性能，并要求耐磨损性能、工艺性

能好，尤其是焊接性能良好。中国特种设备检测研究院3.锅筒钢材选用的原则⑴应具有较高的屈服强度、抗拉强度；⑵曲强比不应太高；⑶缺口敏感性低；⑷抗疲劳性能良好；⑸良好的冲击韧性、高的断裂韧性和较低的时效敏感性，

且脆性转变温度较低；⑹具有一定的抗汽水腐蚀破坏的能力；⑺钢板应具备良好的塑性、冷变形性能及焊接性能；⑻钢板应具有良好的冶金质量。中国特种设备检测研究院4.螺栓钢材选用的原则⑴高温螺栓应采用抗松弛性能高的材料；⑵高温螺栓用钢，应具有一定的持久强度和蠕变强度，

蠕变脆化倾向及蠕变缺口敏感性小，且具有良好的持

久塑性；⑶材料的组织性能稳定性好，回火脆性和热脆倾向小；⑷对于承受疲劳载荷的螺栓材料，还应具有较高的抗疲

劳和抗剪切的能力。四.锅炉常用材料《锅炉安全技术监察规程》材料章中国特种设备检测研究院五.高温部件寿命评估方法简介1.等温线法σ=k（tr）m2.LM参数法f（τ，T）=P（σ）P（σ）=T（C+lgtτ）T1（C+lgtτ1）=T2（C+lgtτ2）lgtτ=（C0+C1lgσ+C2lg2σ+C3lg3σ+C4lg4σ+…）/T-C中国特种设备检测研究院3.θ函数法

ε=θ1（1-e-θ2t）+θ3（e-θ4t-1）

Lgθi=ai+biT+ciσ+diσT中国特种设备检测研究院六.断裂力学基础1.断裂力学

断裂力学是是从材料或构件中存在宏观裂纹这一点出发，应用弹性力学