2013.6.10电站锅炉金属材料基础知识-2013钱公

1、火电厂锅炉金属材料基础知识中国特殊设备检验研究院，一、金属学及热处理基本知识金属学基本概念金属学是研究金属与合金性能及其内部结构关系以及影响金属与合金组织与性能的因素的科学。 常见合金元素对电站锅炉用钢性能的影响c、Cr、Mo、w、v、Ni、Nb、Ti、b和稀土元素(Re )、Si和Al。 结晶和结晶构造铁的几个基本固体项铁，铁，铁，铁。 晶界和晶界钢中晶界的特殊晶界比晶界容易腐蚀，晶界的熔点比晶界低，金属内部发生相变时，晶界是优先形成核的部位，晶界中的原子扩散比晶界内快，晶界阻碍晶界的滑动变形，晶界难以塑性变形，晶界中存在与晶界元素不同的其他杂质等强温度t的晶界强度和晶粒强度相等时的温度称为

2、等强温度t。 金属材料的塑性变形及再结晶加工硬化：金属在塑性变形后，金属的强度和硬度变高，塑性和韧性降低的现象称为加工硬化(或冷硬化)。 再结晶过程：将冷加工变形的金属零件加热保温，然后在金属内形成新的晶粒长大，得到无内部应力和加工硬化的组织的软化过程称为再结晶过程。 钢及铸铁中的几种基本组织铁素体：碳原子溶解于形成体心立方Fe的间隙固溶体。 或者用f表示。 渗碳体：晶体结构为正交系，化学式为Fe3C的金属化合物为钢和铁中常见的固相，在合金钢中为合金渗碳体。 奥氏体：碳原子溶解于形成面心立方晶格Fe的间隙固溶体，用a表示。 珠光体：由铁氧体和渗碳体组成的机械混合物通常分布在片层状相间，用p表示

3、。 蝎子体：过冷奥氏体在600650左右分解形成的珠体，其片层薄，用s表示。 屈氏体(或淘汰):过冷奥氏体在650550左右分解形成的珠体，其片层极薄，用t表示。 贝氏体：钢奥氏体化后，过冷至珠光体相变温度区域和Ms之间的中温区域等温，或者连续冷却通过该中温区域形成的组织。 根据组织形态和形成温度，分为上贝氏体和下贝氏体。 上贝氏体中的铁素体呈羽毛状，羽毛之间分布着片安装和棒状的渗碳体。 下贝氏体在针状铁素体中分布有多个渗碳体。 贝氏体中的铁素体包含许多(或过饱和)碳，用b表示。 马氏体：钢中无扩散共格滑动型转变产生的产物用m表示。 莱氏体：由钢铁或高碳高合金钢中的奥氏体(或其相变生成物)和碳

4、化物(包括渗碳体)构成的共晶组织用l表示。 石墨：碳同系异构体，晶体结构属于六方晶系，是铸铁中常见的固相，其空间形态有片状、球状、团棉状、蠕虫状等。 其中片状对金属危害最大。 铁碳平衡图也称为相图或状态图，是表示合金系处于平衡状态时各相区域的温度和成分界限的图解。 一般最常用的平衡图是二维系的平衡图。 二元体系的平衡图用纵轴表示温度，横轴表示合金的成分。 只要知道合金的成分和温度，就可以在平衡图上找到相应的平衡状态组织，用杠杆定律求出两相域相的相对量。 从平衡图也可以看出一定成分的合金冷却过程中相的变化。 铁碳平衡图是铁和碳的二元系相图。 严格来说，铁碳平衡图应该是铁和石墨的平衡图。 我们应用

5、最多的是含碳量在6.67以下的富铁部分平衡图，是铁与化合物Fe3C的平衡图。 因此，铁碳平衡图有Fe C和Fe Fe3C两种，但实际上将Fe Fe3C系的平衡图称为铁碳平衡图。包晶反应：包晶反应是指由一个固相和一个液相反应形成一个固相的反应。 共晶反应：共晶反应是指由一个液相反应形成两个固相的反应。 共析反应：共析反应是指由一个固相反应到两个固相的反应。 杠杆定律：测量各相的相对量时，首先可以通过已知点形成水平线。 水平线的已知点和决定相成分之间的线段长度与这些相的重量成反比。 应用例1 :应用例2 :钢的热处理正火：将钢加热到Ac3或Acm以上3050，使钢全部奥氏体化，保温一定时间后，在空

6、气中冷却，得到珍珠型组织的热处理。 正火目的：细化晶粒，改善钢的力学性能，可作为20G锅炉管等部分钢的最终热处理。 改善组织改善切削加工性能，为淬火做组织准备。 淬火：将工件加热到临界温度以上，保持一定时间，奥氏体化均匀后，放入水、盐水或油中(个别材料在空气中)骤冷，得到马氏体或(和)贝氏体组织的热处理操作。 淬火的目的：提高钢的强度和硬度。 淬火：将淬火后的工件再加热到Ac1以下的温度，保持一定时间后，在油中或空气中冷却到室温的热处理操作过程。 烘烤的目的：得到比较稳定的组织。 减少或完全消除钢淬火后钢中存在的应力，减少淬火钢的脆性，得到工件所需的最后性能。 常见退火类型：低温退火退火温度为

7、150250。 目的：消除工件中的部分内应力，稍微提高韧性，但使工件保持较高的淬火硬度。 适用范围：高碳钢和合金钢制工具、测量仪等。 中温烘烤温度为350480度。 目的：使钢具有较高的弹性和韧性。 适用范围：常用于弹簧和热模。 高温退火退火温度为450670 (对碳钢或低合金钢)以上的温度(对中、高合金钢)。 目的：完全消除内应力，烘烤后具有足够的强度和良好的韧性。 适用范围：广泛用于电站主蒸汽管道焊接口的焊接后热处理及结构钢的最终热处理。 退火：将钢加热到临界点以上3050，保温一定时间，然后慢慢冷却(一般与炉一起冷却)的热处理操作过程。 钢的退火可以分为再结晶退火和退火两种。 再结晶退火

8、：将冷加工后的工件加热到Ac1以下的温度，使冷加工后的不稳定变形组织形成稳定的组织状态。 这个退火没有发生相变。 常见的退火类型：完全退火完全退火是将钢加热到Ac3以上，使钢都成为奥氏体的工艺。 目的：细化晶粒，改善钢的力学性能，或为淬火作组织准备，降低钢硬度，以便于加工，消除内应力。 适用范围：亚共析钢和共析钢组织的碳钢和合金钢铸件和锻件。 汽轮机汽缸25之类的钢铸件在铸造后立即采用完全退火。 不完全退火的不完全退火与完全退火不同，加热温度低至Ac1 (2030 )，在该温度下加热保温后逐渐冷却。 目的：降低钢硬度，改善切削性能，为淬火作组织准备。 适用范围：主要用于过共析钢、合金工具钢及轴

9、承钢。 扩散退火的扩散退火是将钢加热到高温度，通常为Ac3以上200左右，长时间保温后慢慢冷却。 目的：使钢的成分均匀。 适用范围：高合金钢块或铸件。 等温退火等温退火是指将钢加热至临界点以上的温度，使其变为奥氏体，保温一段时间使奥氏体均匀后，冷却至规定温度，再在该温度保温一段时间，将奥氏体等温分解成珠光体的热处理过程。目的组织均匀，硬度降低。 适用范围：合金钢。 球化退火球化退火是将钢以完全退火的加热速度加热至Ac1(2030 )，保温后，以每小时2050的速度下降至该钢Ar1以下的温度，在该温度下长时间保温，最后在炉中冷却至450500左右，在空气中冷却的过程。 由于该退火，珠光体中的渗碳

10、体以及钢中的二次渗碳体都为球状，因此被称为球状化退火。 目的：降低硬度，使钢中的渗碳体呈球状，为淬火作组织准备。 二、金属在高温长期运行中的变化金属蠕变随规定温度和恒定应力而随时增加材料塑性变形的现象称为蠕变。 以金属的蠕变曲线蠕变变形量为时间函数绘制的曲线称为蠕变曲线。 根据金属和合金的不同条件得到的蠕变曲线不同，但它们有共同的特征，表示这些共同特征的蠕变曲线称为典型的蠕变曲线。 典型的蠕变曲线参考描述了金属在恒定温度和恒定拉伸应力下的变形随时间变化的规律的附图。 典型的蠕变曲线分为瞬时伸长0O :施加应力瞬间发生的4个部分。 如果施加应力超过金属在试验温度下的弹性极限，则该部分的瞬时伸长包

11、含弹性变形和塑性变形两方面。 蠕升第一阶段(曲线OA，即I ) :蠕升速度随时逐渐降低的期间称为蠕升第一阶段。 这阶段的蠕变是不稳定的蠕变阶段，其特征是虽然蠕变开始速度大，但随着时间的推移，蠕变速度逐渐减少，在a点时金属的蠕变速度达到该应力和温度下的最小值，开始转移到蠕变的第二阶段。 由于该阶段的蠕变具有减速的特征，所以蠕变的第一阶段也称为蠕变的减速阶段。 爬升的第二阶段(曲线AB，即II ) :将爬升速度一定的期间称为爬升的第二阶段。 该阶段的蠕变是稳定阶段的蠕变，其特征是蠕变一定，但在该应力和温度下以最小的蠕变速度行进，在蠕变曲线上表现为具有一定倾斜角度的直线段。 爬升的第二阶段也称为爬升

12、的等速阶段或定速阶段。 蠕升的第三阶段(曲线BC，即III ) :蠕升速度随时增加的期间称为蠕升的第三阶段。 蠕变进行到b点后，以随着时间的推移蠕变急速增大的速度进行，这是压曲状态。 到c点发生断裂。 至此，蠕变过程整体结束。 蠕变第三阶段由于具有蠕变持续加速的特征，也称为蠕变的加速阶段。 金属蠕变极限金属的蠕变极限是指在规定温度下试样在规定时间内产生的蠕变总伸长率或稳态蠕变速度不超过规定值的最大应力，表示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，蠕变极限具体规定在一定温度下使钢材产生1107毫米/毫米时(或1105/小时)的第二阶段蠕变速度的应力，在该温度下称为1107 (

13、或1105 )的蠕变极限。 使用的符号是t1107 (或t1105 )。 在一定温度下，钢材在105小时的工作时间内能够产生1个总蠕变变形量的应力，称为该温度下的105小时变形1的蠕变极限。 使用符号为t1/105，金属的耐久强度金属材料的耐久强度与蠕变界限相同，是评价在高温和应力下长期使用的部件金属材料的强度的指标。 由于金属的耐久强度试验进行到试样的断裂为止，因此能够反映高温长时金属材料断裂时的强度和塑性。 所谓金属的耐久强度，是指使用在规定的温度下达到规定的试验时间不断裂的最大应力，表示金属材料对高温蠕变断裂的耐性。火力发电厂高温金属部件使用的材料的耐久强度一般可以表示在规定温度下经过1

14、05小时产生破坏(或破坏)的应力。 其常用符号为t105，所谓金属的耐久塑性金属的耐久塑性，是指材料在一定温度及一定试验力下的塑性变形。 用蠕变或耐久断裂后试样的伸长率和截面收缩率表示。 耐久断裂后伸长率：耐久试样断裂后室温下的间距的伸长与原来的间距的百分率。 耐久断裂后截面收缩率：耐久试样断裂后，室温下的横截面积的最大缩小量与原来的横截面积的百分率。 金属松弛在规定的温度及初期变形或位移一定的条件下，材料中的应力随时减少的现象称为应力松弛。 金属在高温长期运行中的组织变化无论是奥氏体钢还是珠光体钢，在高温下长期运行，不仅会产生蠕变、断裂、应力松弛等变形过程，而且还会产生一些组织和性能的变化。

15、 锅炉高温部件所使用钢材在高温长期运转中产生的组织性能的变化，主要是珠光体的球状化和碳化物的凝聚即石墨化(仅含不含铬的珠光体耐热钢)时效和新相的形成(例如不锈钢中相的形成等)热脆性； 固溶体和碳化物相间的合金元素的再分配。 等等。 珠光体的球化和碳化物的集合是所有珠光体耐热钢中最常见的组织变化。 珠光体球状化是指钢中的片层状珠光体组织在高温长期应力的作用下，珠光体中的片层状渗碳体(或碳化物)根据原子扩散方式逐渐变为球状，随着时间的经过而凝聚生长的现象。 球状化的碳化物继续增大自己的尺寸，小径的球变成大径的球是碳化物的集合。 珠光体球化对钢性能的影响一般来说，珠光体球化对钢的室温力学性能和耐热性

16、有一定的影响，不同的钢其影响程度不同。 例： 20号钢球化评价、石墨化是钢中的渗碳体分解而成为游离碳，以石墨的形式析出，在钢中形成石墨夹杂，钢的脆性急剧增大的现象。 碳钢和0.5Mo钢等不含铬的珠光体耐热钢在高温长期运转中，会发生石墨化现象。 石墨化对钢性能的影响如果在钢中发生石墨化现象，则碳从渗碳体中作为石墨析出，因此钢中的渗碳体数减少，另外，石墨在钢中发挥切断基体的裂纹的作用，但由于石墨自身的强度极低，因此石墨化影响钢的强度。 另外，钢的室温冲击性能也有一定的影响。 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热处理操作过程。 耐热钢或耐热合金制的高温部件，是长期运行中从过饱和固溶体中析出强化相质点，金属性能(主要是力学性能和蠕变极限等)随时间变化的现象，也称为时效，是固溶体脱溶过程或脱溶分解的简称。 耐热钢和耐热合金中的固溶体