金属材料基本知识

1、金属材料基本知识1 钢铁材料及其生产在人们生活中所用的、遇到的材料分为金属材料和非金属材料。金属材料是现代工业、农业、国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料。这不仅是由于其来源丰富、生产工艺简单、成熟，而且还具有优良的性能。金属材料又有钢铁（黑色金属）和有色金属等，如碳钢、合金钢、有色金属、铸铁及其合金等。钢与生铁由于碳含量不同，性能和用途也不同。生铁的含碳量一般有2.5-4.5%，按其用途分为炼钢生铁（含碳4%左右，是炼钢的主要原料）和铸造生铁（铸铁）。最终炼出来的钢碳含量一般都小于1.3%，除少数直接铸成各种形状的铸件外，绝大多数先铸成钢锭，再经轧制或锻压成各种钢件和锻件，然后供进一

2、步加工使用。其中应用最为广泛的是碳钢和合金钢。如将钢按用途来划分，有结构钢（建筑及工程用钢或结构用钢，如锅炉中的钢结构等）、工具钢（各种量具、刃具、模具钢等）和特殊性能钢（耐热钢、不锈耐酸钢及电工用钢）；按质量来划分则有普通钢、优质钢和高级优质钢三类；按冶炼方法、钢液脱氧程度和铸锭工艺的不同来划分则有沸腾钢、镇静钢（脱氧完全的钢，化学成分和力学性能均匀、焊接性能和抗腐蚀性好，一般用来做较重要的部件；受压元件用钢即是）和半镇静钢三类；此外还有其余种类的如按金相组织分类方法。电站锅炉所耗用的金属材料数量大、品种规格多，除少量有色金属和铸铁外，绝大多数为钢材。其中有钢管、钢板、棒材、工字钢、槽钢、角

3、钢以及铸锻件等。一部分钢材为普通钢，用来制作锅炉的普通结构件，性能要求并不高(主要是一些普通钢结构，是从国家标准中所引用的一些钢号)。另一部分则用来制作高温、高压（或承受高应力）条件下或处于腐蚀性介质中长期工作的元件。这些锅炉钢是综合性能要求很高的材料。从20世纪50年代起，我国冶金部门、锅炉制造行业和电力部门的科研、生产单位在锅炉钢合金化、冶金生产、焊接和热处理工艺、性能测试、寿命分析诸方面开展了大量的应用研究，形成了我国独特的锅炉用钢体系，有利地保证了火电设备向大容量、高参数的不断发展。从80年代以来，随着我国锅炉制造业与国外的不断交流，也引进了不少国外的优质锅炉钢种进入我国的标准体系。1

4、.1钢铁的冶炼1.1.1铁的冶炼炼铁的主要设备是高炉，高炉炼铁的原料主要是铁矿石、焦炭和熔剂（如石灰石等）。铁的冶炼过程，实质就是将铁矿石中的氧化铁还原成铁的过程。高炉中焦炭本身的碳及其燃烧反应的产物一氧化碳都对氧化铁起还原作用。1.1.2钢的冶炼钢与生铁的最主要区别就是碳含量不同，将生铁进行精炼以大幅度降低碳量（和各种杂质）就得到符合要求的钢。精炼所依托的原理主要含有脱碳反应（FeO+C=Fe+CO）、硅锰的氧化反应（2Fe0+Si=2Fe+ SiO2，Fe0+Mn=Fe+MnO）、去磷硫过程（去磷反应2Fe2P+5FeO=P2O5+9Fe，P2O5+4CaO=4 CaO.P2O5,去硫反应

5、FeS+CaO=CaS+FeO）、脱氧反应（沉淀脱氧：将含有Si、Mn、Al等元素的脱氧剂直接加入钢液中，使在钢中的FeO还原，生成不溶于钢液的氧化物，然后上浮排除；扩散脱氧：是向炉渣中加入铝粉、炭粉和硅钙粉等脱氧剂，降低渣中FeO含量，破坏渣、钢间的FeO的平衡，使钢液中的FeO转入渣中而脱氧，这种方法得到的钢质好）。1.2炼钢的方法主要有转炉炼钢法，平炉炼钢法，电炉炼钢法和电渣重熔法四种。不同的炼钢方法的工艺不同，但最终结果是：当钢液的成分和温度均达到规定的要求，炉渣流动性良好时，就可出钢浇注。1.3钢锭组织钢锭表面到心部，依次为细小的等轴晶粒、柱状晶粒和粗大的等轴晶粒组成。根据钢中的含氧

6、量和凝固时放出的一氧化碳的程度，可将钢锭分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢。1.3.1镇静钢钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行充分脱氧，使所含氧量不超过0.01%,以至于钢液在凝固时不析出一氧化碳，得到成分比较均匀，组织比较致密的钢锭，称为镇静钢。受压部件所使用的钢必须是镇静钢。1.3.2沸腾钢在冶炼末期，钢液仅进行了轻度脱氧，而使得相当数量的氧（0.03%以上）留在钢中，则钢液注入锭模后，钢中的氧会与碳发生化学反应，析出大量的一氧化碳，引起钢液沸腾，称之。其成分偏析大、组织不致密，性能不均匀，冲击韧性低。1.4钢的加工冶炼成的钢锭，除一部分用于大型锻件、铸件外，大部分要通过轧制（金属在转动的轧辊间借

7、助磨擦力的作用，使得坯料得以连续地进入轧辊而变形，即截面变小和长度增加）、挤压（通过对在压模内的材料进行挤压，使材料按压模出口形状而形成）、锻造（自由锻和模型锻造两种）、拉丝等方法制成型材、板材、管材和线材等，供各部门使用。中厚钢板全是热轧产品，薄板有冷轧和热轧两种。无缝钢管有热轧（或挤压）、也有冷拔和冷轧。型钢轧制所采用的轧辊是带有型槽的轧辊，其中凹入的部分称轧槽，两个轧辊的轧槽合起来称为孔型，钢坯就是经过一系列的孔型而轧成型材的。2 对金属材料性能的要求金属材料至少应具有材料技术条件规定的性能要求（标准要求的性能）、设计用的性能数据（使用性能）以及制造运行要求的性能资料（工艺性能）。这三方

8、面的性能加上经济可行性是选用金属材料钢的依据。2.1 材料技术条件规定的性能金属材料技术条件规定的性能是材料研制与评定时做过大量试验的基础上，结合生产和应用条件提炼出来的。对供货钢材检测这些性能可对钢材质量是否符合元件制造要求做出评估。主要是指化学成分、力学性能、冲击性能、金相组织、工艺性能、成品实物等方面的特性。2.1.1 化学成分 技术条件规定的化学成分包含合金元素（C、Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti、B、Re，以及含量0.5%的Si、0.75%Mn称之，其决定钢的耐热性和物理性能、力学性能、抗腐蚀性能和工艺性能）、残存元素（质量分数0.30%或更少的Cr、Ni、Mo、W、Cu和微量

9、V、Nb、B等，是炼钢时从炉料带入钢中的。有时对保证金属材料用钢的性能有利，但含量高时会使钢的工艺性能变差）和有害元素（H、O、N、P、S、Pb、As、Sn、Bi、Sb、Se等，是炼钢时从炉料或环境介质带入钢中的。其对金属材料钢的塑性、韧性、热强性、工艺性能都有不良影响）。2.1.2拉力性能金属材料常用金属材料的常规力学性能主要有以下几种：强度（是指金属材料抵抗变形和破坏的能力，工程上金属材料的主要强度性能指标是屈服强度和抗拉强度。钢材的屈强比过高，如s/b0.75，对受压元件不利，因为弯管后回弹严重，难以冷校正，而热校又影响热强性，特别是对102类钢）；塑性（断后伸长率和断面收缩率表示，对塑

10、性相同的材料采用不同标距时，其试验值也不相同，在数值上ASME标准规定的是50mm标长510。采用低合金钢板制作受压元件的国家，在金属材料强度计算标准中均规定了受压元件用钢板必须具有的最小5值，各标准并不一样，GB9222规定的是18。是表征金属塑性的一个较为真实的指标，为了防止焊接时的层状撕裂，锅筒和大梁用的特厚板厚度方向的值应高一些）。2.1.3冲击韧性金属材料抵抗瞬间冲击载荷的能力，一般用摆锤弯曲冲击试验来确定；其很大程度上反应了钢的冶金质量和成品热处理的质量，是材料的强度和塑性的综合表现。金属材料元件设计选材时，不能忽视钢材的冲击韧性。2.1.4钢管和钢板的工艺性能压扁试验用来模拟受热

11、面和管道弯管工况，同时也可暴露表面检查时不易发现的钢管表面折叠、重皮等缺陷。扩口试验用来模拟胀管工况，但有时还不足以表征胀管所要求的材料特性。钢板冷弯试验用来表征钢板冲压、卷板时的塑性，也可暴露钢板的某些缺陷。2.1.5金相组织金属材料的显微组织类型、实际晶粒度、表面脱碳、夹杂物等级等，是钢材冶金质量和成品热处理质量的直接反映，并从根本上决定了金属材料的力学性能和工艺性能。显微组织类型：GB5310规定的组织类型是根据组织与热强性能之间的关系制定的。如12Cr2MoWVTiB、12Cr3MoVSiTiB钢管中出现自由铁素体将明显降低持久强度；12Cr1MoV的贝氏体或珠光体过少也会降低持久强度

12、；15CrMo、12Cr1MoV若出现不完全相变产物将明显降低热强性。实际晶粒度：实际晶粒度的级别差不能过大，否则也会降低热强性。表面脱碳：受热面管的脱碳将明显降低钢管的热强性能。夹杂物等级：级别高也一样地降低热强性能。2.1.6成品状态钢板、钢管成品表面和内部存在的缺陷可能成为开裂源，须通过适当的无损和表面检测手段进行控制。成品表面的防护涂层、标记对钢材的验收和金属材料元件的制造均有影响，应严格按有关规定执行。2.1.7探伤 对于高温高压及重大结构用钢材，对其进行必要的探伤是控制材料质量是非常重要不可替代的，由于破坏性试验总是在实物上取部分材料来进行试验，以代表该材料的性能，总是有局限性的，

13、而采用探伤的手段对材料进行整体的检查可以对材料全面的进行检查，能够找出存在的缺陷，是否超出标准规定，是检验材料整体连续性的有效手段。根据钢铁材料的不同形状，用途和标准要求，采用不同的探伤方法，主要的探伤方法有：水压，超声波，涡流，磁粉，着色，渗透，漏磁等，每一种方法都有其偏重的检查范围，对于重要的材料，往往不是一种方法就可以达到要求，而是采用其中的几种方法，以达到全面检验的目的，根据需要可以采用不同的标准，方法和合格的级别来控制产品的质量。2.1.8其它特殊性能要求 部分材料由于使用的部位及运行环境等比较特殊，很可能会提出超出一般技术要求的特殊性能要求，比如：锅炉材料中的汽包用钢板和吊杆用料，

14、由于压力大，又处于高温下，部件本身重量大等等原因，材料必须要保证高温瞬时拉伸性能，原材料必须超声波探伤合格。随着核电材料的应用，很可能会提出较一般技术要求高得多的特殊性能要求，比如：硬度，侧向膨胀量，铁素体含量，线彭胀系数等等。2.2 设计用的性能金属材料元件设计与寿命估算用的材料性能数据，是根据材料研制和评定的试验结果以及正式供货后大量的试验结果统计得出的。所推荐的金属材料性能数据会不断修正。这实际上是使用性能：设计时为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料应具备的性能，主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等，与温度还有关系），物理性能（密度、比热容、热导率、热扩散率、线膨胀

15、系数、电阻率、弹性模量、泊松比等），化学性能（抗氧化性、抗腐蚀性、热稳定性等）。使用性能决定了材料的应用范围、使用安全可靠性和使用寿命。2.2.1 短时强度锅筒、大梁以及一部分受热面元件和管道的强度计算时需要钢的短时强度保证值（是指室温和中温下的抗拉强度和屈服强度的统计下限值）,这是因为工作温度未在材料的蠕变温区。2.2.2持久强度和蠕变强度锅炉受热面、集箱、高温吊杆等元件在强度计算时需要持久强度（在高温和应力长期作用下抵抗断裂的能力，是指在一定温度和规定持续时间内引起断裂的最大应力值，以T t表示，其中T示温度，t示时间h）统计平均值，运行监督时需要蠕变强度（材料在一定温度下、在规定的持续时

16、间之内，产生一定蠕变变形量或引起规定的蠕变速度，此时所能承受的最大应力）性能值。二者均为热强性能指标。2.2.3抗氧化性（耐热性）金属材料抵抗高温氧化的能力称之，为高温元件强度计算要求的一个重要性能指标。锅炉高温受热面管件的外壁与高温烟气接触、内壁与蒸汽接触，受热面固定装置、吹灰器喷管或喷头、燃烧器喷嘴等与高温烟气接触，烟气与蒸汽介质会对金属表面产生高温氧化作用，形成氧化物，使元件壁厚逐渐减薄，应力增大，同时氧化物的附着使受热面壁温升高，严重时导致元件失效。提高钢的高温抗氧化性能的基本方法是合金化；对加入钢的中的合金元素应满足下列要求：（1）能在钢的表面形成一层稳定的合金氧化膜，以阻止铁与氧结

17、合，为此合金元素的的离子应比铁离子小，比铁更容易氧化，（2）合金氧化膜应与铁基体结合紧密，不容易剥落。Al、 Si 、Cr三种元素均可满足上述要求。Al、 Si的过多加入会影响钢的组织稳定性，故目前主要加入Cr来提高钢的抗氧化性能。要使钢具有足够的抗氧化性，温度越高，则所要加入的Cr量越多：在600-650间，约要5%的Cr；800时，约要12%的Cr；950时，约要20%的Cr；1100时，要28%的Cr。但大多数情况下一般不单独加Cr，应同时加入Cr和Al，Cr和 Si或Cr、Al、Si，这样一方面可以降低Cr的使用量，另一方面还可提高钢的热强性能。2.2.4低周应变疲劳性能大型火电机组特

18、别调峰机组的锅筒、集箱等元件，在强度计算和寿命估算时需要材料的低周疲劳性能数据。这是因为元件承受的周期性能交变载荷使某些应力集中部位（如锅筒的接管开孔处）的应力远远超过钢材的屈服强度，会引起塑性变形。循环周次在100000次之内、且伴有塑性变形的疲劳为低周应变疲劳。2.2.5断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率锅筒、大梁、集箱等厚壁元件用钢，难免在冶金生产和元件成形、焊接、热处理等制造过程中产生某种缺陷或者微裂纹，在外力和环境作用下可能形成宏观裂纹并扩展，最终导致低应力脆性断裂。分析和估算承受载荷时裂纹扩展至断裂的寿命，需要材料的断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率的数据。断裂韧性：A）平面应变断裂韧性KIC是抵

19、抗裂纹发生扩展的能力，由GB4161规定的断裂韧性试验来确定，主要用于评定较脆的材料；B）裂纹尖端张开位移临界值C；和C）临界J积分，JIC按GB2038规定的方法来确定。B和C专用于评定塑性较好的材料的断裂韧性。疲劳裂纹扩展速率：是有裂纹元件在交变载荷作用下裂纹是否会失稳扩展导致材料发生断裂的性能判据。2.2.6物理性能金属材料元件设计、强度计算和寿命估算时需要材料的某些物理参数，如密度、比热容、热导率、热扩散率、线膨胀系数、电阻率、弹性模量、泊松比等。这些参数是由材料的物理性能试验测出，化学成分相近的材料，其物理参数也基本相近，基本上不受加工的影响。2.3 制造和运行要求的性能制造时所要求

20、的性能主要就是指工艺性能，即材料在被制成机械零件、设备、结构件等的过程中能否承受各种冷热加工的性能，如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生产效率和产品质量有重大影响。2.3.1 变形能力热弯成形的管件和用钢板热卷成形的锅筒、集箱，应取钢材强度低、塑性好的温度为最佳成形温度。而冷弯成形的受热面管件和用薄板冲压成形的空气预热器波形板，可用原材料验收时的塑性指标、硬度、冷弯试验结果来评定冷变形能力。2.3.2焊接性根据经验和必要的性能测试对钢的焊接性能作出评定。这种评定主要着眼于被焊钢材在一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数和结构形式的条件下，考察热影响区抗冷裂纹

21、（主要取决于钢材的淬硬性，这与碳当量有关）和抗热裂纹（焊后去应力处理时，在热影响区的粗晶区产生晶间开裂，与铬铜钼钒铌钛等有关）的能力，以及焊接头的力学性能、耐蚀性是否满足要求。2.3.3无塑性转变温度NDT是指在落锤试验时，材料刚好发生断裂的最高温度，由落锤试验来确定。该温度可用来确定金属材料受压元件的水压试验的温度，主要为防止受压元件水压试验时发生脆性破裂。2.3.4耐蚀性高温下金属材料元件用钢除了受到氧化外，还可能受到其它气体，如SO2 、SO3、H2S、H2等的作用，产生诸如：1）硫腐蚀（水冷壁管、过热器管、再热器管，铬镍奥氏体钢管抗高温硫腐蚀的能力不及铁素体、球光体、马氏体型钢管）、2

22、）氢腐蚀（蒸汽与温度于400的铁接触会产生氢原子，若不能很快被蒸汽带走，将溶入钢中，向内部扩散滞于晶界处，与钢中的碳形成CH4，产生极大的内应力，使晶界开裂，严重时造成爆管），3）尾部受热面的硫酸露点腐蚀（金属材料燃用含硫量高的燃料时，硫可形成SO3，使烟气露点提高，易结露形成硫酸造成露点腐蚀），以及4）奥氏体钢氯离子腐蚀（空气和水中的氯离子会造成奥氏体钢的氯离子应力腐蚀）等金属腐蚀现象。提高钢材抗高温腐蚀性能的措施仍是加入Cr、Al、Si等合金元素最为有效，这些元素加入后一方面形成致密氧化膜起保护作用，另一方面可提高钢的电极电位，使Fe离子不容易被拉走，材料也不易被腐蚀。如加入11.7% C

23、r，钢的电极电位就由负变成正，所以一般的不锈钢的含Cr量为12-13%。2.3.5组织稳定性2.3.5.1耐热钢在高温时的组织变化 在室温时，钢的组织一般是稳定的。但在高温及应力的长期作用下，由于原子扩散过程的加剧，钢的组织将逐渐发生变化，从而引起钢的性能发生改变，特别是对钢的高温强度及塑性产生不利的影响。 耐热钢在高温时表现出来的组织变化有以下四种：珠光体组织球化和碳化物聚集、碳化物结构石墨化、合金元素在固溶体和碳化物之间重新分配、时效并产生新相。 （A）珠光体组织球化和碳化物聚集：珠光体球化是指钢材经高温长期运行后，珠光体组织中的渗碳体由片状逐渐变成球状，并聚集长大。20碳钢、15CrMo

24、、12Cr1MoV等珠光体耐热钢，其原始组织一般为铁素体加珠光体，所以它们在高温下最普遍的组织不稳定性就是珠光体球化。发生球化的原因是：球状渗碳体比片状的更为稳定；因前者的表面积比同体积的球状渗碳体的大，总表面能较高；在高温下，由于原子得到能量，活动能力增强，将自发从高能量状态向低能量的状态转变。珠光体球化会使钢的室温和高温强度降低，尤其使蠕变极限和持久强度下降，从而加速了高温部件在运行过程中的蠕变速度，导致破坏加速。如对12Cr1MoV钢的试验表明：完全球化后，该钢的持久强度比未球化的降低约1/3；含Mo量0.5%的钢在538下使用20年后，蠕变极限下降77%。在火电厂中，引起爆管事故的重要

25、原因往往就是珠光体发生严重球化，因而要对金属材料钢管等设备的材料进行珠光体球化程度监督，定期检查其发展情况。影响珠光体球化的因素主要是温度、时间及钢的化学成分。温度高、时间长，则球化严重；钢中加入Cr、Mo、V、Nb、Ti等到合金元素能阻止碳在固溶体中的扩散或形成稳定的碳化物，所以能阻碍或减缓渗碳体向球状转变和聚集。但钢中加入铝Al会加速球化过程。 （B）石墨化：钢中的Fe3C在高温和应力作用下会发生分解，从而析出游离态的C（石墨），这一组织转变称为石墨化。石墨化是球化的继续与发展，是碳钢和珠光体钼钢组织不稳定的一种最危险形式。碳钢在450、钼钢在485以上，经几万h运行后，就会出现石墨化，使

26、钢材的性能恶化，造成脆性爆管事故。石墨化不仅很大程度上消除了碳化物对钢的强化作用，而且由于石墨本身的强度和塑性极低，相当于在钢中出现了裂纹或孔隙，危害极大。钢中的化学成分对其石墨化倾向有决定性的影响：Al、Si、Ni是促进石墨化的元素，故热力设备用的碳钢和钼钢应尽可能不用Al、Si 脱氧，而加入碳化物形成元素Cr、V、Ti、Nb等形成稳定性更高的碳化物，可使渗碳体的稳定性提高，从而能有效地阻止石墨化过程。高温蒸汽管道经过冷变形和焊接，也会促进石墨化进程，特别是在焊接热影响区中，最易出现链状石墨化石墨，使管子破裂，对焊缝采用退火或正火后回火等措施，可大大减少石墨化倾向。 （C）合金元素在固溶体和

27、碳化物之间重新分配：钢的组织，在高温和应力长期作用下，固溶体中的合金元素逐渐减少，碳化物中的合金元素逐渐增多，使固溶体中的合金元素逐渐贫化。对耐热钢来说，固溶体中的合金元素的贫化主要是指Mo、Cr贫化。这样重新分配的结果，使钢的强度、蠕变极限和持久强度下降，对高温部件的运行构成威胁。合金再分配的过程随温度升高和时间延长而加强。钢中含碳量的升高也会加速这一过程。特别是温度接近于钢材的使用温度上限时，合金元素迁移的速度更快。钢的化学成分对合金元素的再分配有决定性的影响。由于合金元素的再分配与扩散过程有关，因此钢中加入能延缓扩散过程的元素将有利于固溶体的稳定。如在铬钼钢中加入V元素，则可减慢Mo、C

28、r的迁移过程，所以Mo、Cr、V钢较 Mo、Cr钢时的使用温度更高。 （D）时效和新相的形成：耐热钢在高温应力下工作，随时间的推移，从过饱和固溶体中分解出高度弥散的强化相粒子（新相），使钢的性能随之变化。时效前期强化相的粒子细小而弥散，钢的强度、硬度升高，而韧 性、塑性降低，即表现出弥散沉淀强化；随时间延续，新相粒子聚集长大，强化效果渐渐消失，钢的室温和高温强度都显著下降。钢在时效过程中的析出的新相主要是碳化物，另外有一些氮化物和金属间化合物。奥氏体和马氏体等高合金耐热钢时效的倾向较大，而低合金的珠光体耐热钢的时效倾向较小。3 耐热钢的强化和分类热电站用钢多数是耐热钢，无论是普通的热电厂还是核

29、电厂，材料使用的环境均需要耐高温。3.1耐热钢的强化原理 钢中加入合金元素，即通过合金化来提高钢的热强性，是耐热钢的主要强化措施。合金对钢的强化作用主要表现在强化固溶体、强化晶界、强化渗碳体及沉沉淀强化。3.1.1固溶强化耐热钢是以固溶体为基体的，固溶强化是耐热钢的重要手段之一，加入合金元素能强化基体的主要原因是：合金元素增强了固溶体原子间的结合力（这主要是因为加入Cr、Mo、W、Mn、Nb等元素能增加金属原子间键合的电子数，键合电子数越多，原子间结合力越强。只有V、Ni会降低固溶体的结合力）；合金元素引起晶格畸变（合金元素的原子半径与铁原子半径大小不同，大多数合金原子的半径比铁原子的大，原子

30、半径相差愈大，引起的晶格畸变也愈大，晶格常数的改变就大。合金元素使晶格常数增加的次序为：Co、Cr、Ni、Mn、Mo、V、W、Al、Ti、Nb）；合金元素提高固溶体的再结晶温度，延缓再结晶过程（如Co、Ni、Si、Mn、Cr、Mo、W等提高再结晶温度的能力依次递增，可有效地提高钢的热强性）；合金元素提高铁原子的自扩散激活能，并阻止碳与合金元素在固溶体中扩散，使组织更加稳定。如加入Mo、W、 Ni、V等能阻碍扩散过程的进行。特别是当多种合金元素共同加入后，它们的交互作用对固溶强化的效应更明显，也更主要）。3.1.2强化晶界由于晶界处原子排列不规则，存在大量缺陷和空位，原子沿晶界扩散速度就比晶内扩

31、散速度大得多；而且钢中的硫、磷及其它低熔点的杂质易于在晶界聚集，并往往与基体金属形成易熔共晶组织。因此，高温下晶界强度较低，有利于蠕变的进行和蠕变裂纹的产生。故在高温长期应力作用下，钢的断裂形式也往往是晶间断裂，所以强化晶界对提高钢的热强性具有十分重要的意义。合金元素对晶界的强化作用主要表现在如下几个方面：纯化晶界（S、P等杂质元素在晶界聚集形成的脆性，可通过加入Mn、B、Re和碱金属等化学性极活泼的元素，使之与上述杂质在冶金过程中发生反应生成稳定难熔的化合物而加以消除）；填充晶界空位（B原子的直径介于一般间隙原子如N、C等和置换原子之间，钢中加入微量的B，无论其处于置换态还是处于间隙态，都能

32、稳定有效地填充晶界空位，使有利于原子扩散的空位大大减少，晶界就处于较为稳定的状态）；强化相沉淀（合金形成的碳化物在晶界上沉淀出不连续的强化相，可使裂纹沿晶界的发展受阻）。3.1.3渗碳体强化和沉淀强化合金元素一部分溶入铁素体基体进行固溶强化，一部分溶入渗碳体使之成为合金渗碳体，如（Fe、Cr）3C等，合金渗碳体比渗碳体具有更高的稳定性和强度。同时，合金元素还可在过饱和固溶体中沉淀出第二相（或更多相）颗粒，如碳化物、氮化物、硼化物等到难熔化合物，对晶体位错的运动起阻碍作用，因而钢得到强化。这些沉淀相成分和结构越复杂、与基体差别越大，它就越稳定，多元合金化可得到这种复杂的碳化物。形成的V4C3、N

33、bC、TiC、Cr7C3、Mo2C等合金化合物在高温下较稳定，且弥散分布不易聚集长大，从而提高基体的热强性。 3.2耐热钢中碳及合金元素的作用3.2.1碳的作用钢的热强性是随含碳量的增加而降低的（增加含碳量，在高温长期使用过程中，从固溶体中析出的碳化物必然增多，夺走了固溶体中的合金元素，加速碳化物的长大，使钢的抗蠕变性能下降；增加含碳量，钢中的石墨化加剧、钢的焊接性能、冷变形工艺性能也随之变坏，当钢的含碳量大于0.25%时，焊接就易出现裂纹）；但增加含碳量，可降低钢的时效敏感性；故其碳含量也不能过低，而应控制在一定的范围内。热力设备的耐热钢含碳量一般在0.1-0.3%。3.2.2铬的作用是耐热

34、钢中不可缺少的元素，可以多方面提高钢的性能，其主要表现在：提高抗氧化性、耐腐蚀性（在钢的表面形成Cr2O3保护膜，阻止钢被继续氧化；Cr含量超过11.7%后，钢的电极电位由负变正，提高了抗电化学腐蚀性能）；提高钢的持久强度和蠕变抗力；阻止石墨化过程；阻止珠光体球化过程；提高钢的淬透性；但会引起材料的热脆性和降低钢的可焊性。3.2.3钼、钨的作用主要表现在：提高热强性（其固溶强化作用显著，并能提高再结晶温度）；消除钢的回火脆性，降低热脆性；提高钢的抗蒸汽腐蚀能力（这对锅炉用钢具有特别的意义）；阻止珠光体球化。当这两种元素复合加入时，其作用更为显著（我国的12Cr2MoWVTiB等钢上得到了广泛应

35、用）。3.2.4钒的作用沉淀强化（V与碳形成的碳化物VC或V4C3，在较高温度下也难于聚集，在钢中基本上是均匀弥散分布）；降低合金元素的再分配速度（因V是强碳化物形成元素，其形成VC或V4C3的能力比Cr、Mo强，能使Cr、Mo尽可能地溶入固溶体中）；但过量的V反而会使V的碳化物粗化，因溶入固溶体的V会降低固溶体原子之间的结合力，故耐热钢中的V含量都在0.4%以下。3.2.5钛、铌（Ti、Nb）的作用沉淀强化（Ti、Nb为强碳化物形成元素，其能形成高温稳定性比VC还高的TiC、NbC或Nb3C3，此外还可形成TiFe2、Fe3Nb2等细小弥散的金属间化合物）；阻止Cr、Mo在固溶体和碳化物中的

36、再分配，提高再结晶温度, 改善钢的可焊性。但V、Ti、Nb在钢中单独加入效果并不明显，需复合加入。3.2.6铝、硅（Al、Si）的作用显著提高抗氧化性。近年来硅的应用较多，铝应用受到限制（Al促进珠光体球化，Al、Si加速石墨化过程）。3.2.7硼、稀土（B、Re）的作用微量B和少量Re元素能起到填充晶界空位、强化晶界、消除热脆性等作用。3.3耐热钢分类耐热钢按其显微组织不同，大致分为四类：珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢。3.3.1珠光体耐热钢或铁素体-珠光体耐热钢(组织为铁素体+球光体或贝氏体)主要加入合金元素是Cr、Mo、V，其总含量较低，一般在5-7%以下，也称为

37、低合金耐热钢。其主要强化元素为Mo，一般在正火+回火温度后使用，其组织为铁素体+碳化物；由于这类钢中的抗氧化合金元素含量不高，故其工作温度范围为350-620之间。按其用途不同，可分为锅炉管子用钢、汽包用钢、紧固件用钢和转子用钢。 在热力设备中，合金元素含量较低的铬钼钢主要用于500-510以下的蒸汽管道、集箱等零部件及540-550以下的锅炉受热面管子；而合金元素较多的中碳铬钼钢和铬钼钒钢则主要用于550以下的汽轮机主轴、叶轮、汽缸、隔板及高温紧固件等。由于其含抗氧化元素量不高，铬钼钢和铬钼钒钢在使用温度分别超过550和580时，其组织稳定性和高温抗氧化性能急剧下降，持久强度大为降低。 我国

38、研制成功的12Cr2MoWVTiB（钢102）、12Cr3MoVSiTiB、12MoVWBSi等新钢种，由于多种元素的复合作用，其使用温度可高达600-620。由于钢中的合金元素总量增加，钢的淬透性提高，在正火后也能得到贝氏体组织，所以其具有更高的热强性。此外根据我国资源情况，还研制和使用了20Cr1Mo1VTiB、20Cr1MoVNbB等紧固件用钢。3.3.2马氏体耐热钢主要是Cr13型马氏体不锈钢（含Cr12%以上，奥氏体等温转变曲线大大向右移，奥氏体空冷时，也能得到马氏体组织），用于制造汽轮机叶片等，其在高温和应力长期作用下，其铬碳化物会造成钢的组织不稳定。可加入一些Mo、W、V、Nb等

39、合金元素，提高其使用温度（1Cr13、2 Cr13的最高使用温度分别为470和450），经淬火+高温回火得到回火索氏体（马氏体）组织，某些钢的应用温度可达580-600。在锅炉上应用的目前是91、92、122、E911等钢种。3.3.3铁素体耐热钢()钢中加入合金元素是Cr（高铬达17左右）、Al、Si，其总含量相当多，钢具有单一的铁素体组织，在加热和冷却时不发生相变，故不能用淬火来强化。这类钢的特点是：抗氧化和耐腐蚀性（在含硫气氛中）优良，但在高温下有晶粒长大倾向、且脆性较大、热强性能差，故其实际上是抗氧化用钢。这类钢不宜作受冲击载荷的零件、只宜制作各种承受应力不大的炉用构件如过热器吊架、退

40、火炉罩、热交换器等。3.3.4奥氏体耐热钢钢中加入含量较高的某些合金元素，奥氏体等温转变曲线大大向右移，还能使Ms点降到室温以下，这样钢在室温下也仍具有奥氏体组织。奥氏体晶格致密度比铁素体高、原子间的结合力大、合金元素在奥氏体中扩散很慢，故其热强性很高、较高的塑韧性和良好的可焊性；加之此类钢中的Cr、Ni含量高，故又有优良的抗氧化性和耐蚀性。但其室温强度低，易产生加工硬化，故加工困难，此外其导热性差、线膨胀系数大。热力设备中常用的奥氏体钢1Cr18Ni9、1Cr19Ni11Nb、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti、4Cr14Ni14W2Mo、2Cr20Mn9Ni2Si2N、Mn

41、17Cr7MoVNbBZr等，其在600左右都有足够的热强性，其抗氧化温度可达700-900或更高，锅炉管道、汽轮机阀体等重要部件常用这类钢制造，但成本相当高。4锅炉元件用材的选择锅炉用材的选择和应用对确保锅炉元件设计、制造质量和运行可靠至关重要。4.1锅炉管件用钢锅炉管件用钢系指水冷壁、过热器、再热器、省煤器、集箱、管道用钢管。4.1.1选材准则4.1.1.1高温锅炉管件用热强钢足够的持久强度，足够的耐热性，足够的组织稳定性。4.1.1.2对于金属壁温低于350的碳钢和低于400的合金钢管件则要求有足够的短时高温强度，大口径管还应有足够的韧性。4.1.2工艺性能优良所选用的管材应有良好的冶炼

42、、制管、元件冷热成形、热处理和焊接等工艺性能。4.1.3管件的具体要求4.1.3.1锅炉过热器管子和蒸汽管道用钢及其要求过热器管和蒸汽管道金属有足够高的蠕变强度、持久强度和持久塑性（通常进行过热器管强度计算时，以高温持久强度极限为主要依据，再以蠕变极限来校核），在高温长期运行中组织稳定性好，有良好的工艺性能（特别是要焊接性能好，对过热器管还要求良好的冷加工性能），抗氧化性能高（通常要求过热器管和蒸汽管道金属在运行温度下的氧化速度应小于0.1mm/年）。 过热器管和蒸汽管道用钢选择的主要依据是金属温度。对同一钢号，用于蒸汽管道时所允许的最高使用温度一般要比过热器管低约30-50。4.1.3.2水

43、冷壁管和省煤器管用钢及其要求 A）水冷壁管：对水冷壁管材料的主要要求有：水冷壁管金属具有一定强度（以使得管壁厚度不致于过厚，否则会影响加工与传热），传热效率高，有一定的抗腐蚀性能，工艺性能好（如冷弯、焊接等性能），在某些情况下还要求其热疲劳性能好（如在直流锅炉上）。 B）省煤器管：对省煤器管金属的主要要求有：一定的强度，传热效率高，有一定的抗腐蚀性能和良好的工艺性能，还应考虑其热疲劳性能（以使省煤器管金属在激烈的温度波动条件下不至于因热疲劳而过早破坏）。4.1.3.3联箱用钢及其要求：联箱用钢也由其工作条件决定，基本上与同参数的蒸汽管道一致。联箱的结构较为复杂，上面有很多插管座。由于联箱和蒸汽

44、管道一旦发生爆炸事故将对人身及设备造成重大危害，因此对同一钢号，用于蒸管道或联箱的材料，其允许的最高金属金属温度比过热器管低30-50。所用钢材与同参数的蒸汽管道的材料相同。4.1.4管件用钢分为碳钢类（20、ST45.8/I，20G、ST45.8/III， SA210A1、C，SA106B、C，SA178C等）、低合金类（SA209T1、15Mo3， SA209T1a，12型、15CrMo，12Cr2Mo、10CrMo910、22型，12Cr1MoV，WB36、15NiCuMoNb564）、多元素贝氏体类（12Cr2MoWVTiB，12Cr3MoVSiTiB，T23，T24等）、中铬马氏体钢

45、类（91型、92型、122型）、铬镍奥氏体类（1Cr18Ni9、TP304H，1Cr19Ni11Nb、TP347H）以及新开发的管件用钢类（90年代以来，日本和欧洲相继开发了一些管件用钢，它们是在T22的基础上发展起来的T23即HCM2S，T24即7CrMoVTiB1010；在T91基础上发展起来的T92即NF616和E911；还有中铬钢T122、HCM12A以及奥氏体钢SUPER304H，TP347HFG，NF709和HR3C等。这些钢由于合金元素配置合理，起到好复合多元强化的作用，不但性能高于老钢号，而且工艺性能也不逊于后者，现已经逐渐在国际电站制造业中推广使用）。4.2锅筒筒体用钢中低强

46、度钢具有强韧性和焊接性最佳配合的优点，适宜用来制造板焊接结构的锅筒筒体。4.2.1选材准则4.2.1.1锅筒筒体为重要的受压部件，一般由钢板卷成两个半圆或圆筒，两头加上封头焊接而成。汽包处于中温（350以下）、高压状态下工作，它除了受较高的内压力外，还受到冲击、疲劳载荷、热应力、水和蒸汽介质的腐蚀作用。其运行时装有大量的有压力的饱和汽水，如果因其破裂而发生爆炸，则会发生厂毁人亡的灾难性事故。所以是极其重要的，它的安全运行与许多因素有关，但材料的性能却是最重要的因素之一。在制造过程中，钢板要经过各种冷热加工工序，如下料、卷板、焊接和热处理等，且汽包所处的温度是饱和蒸汽的温度，因而对钢板有下列要求

47、： 较高的强度, 良好的塑性和冷弯性能，较低的缺口敏感性，良好的焊接性能，良好的冶金质量。 汽包用钢均为低碳钢或低合金钢，均属于珠光体钢，这是由汽包的工作温度决定的。为减少汽包钢板的厚度，以适应高参数机组的发展要求，在低碳钢基础上加入少量合金元素如Mn、V、Mo、B、Nb、Re等成为低合金珠光体锅炉钢。4.2.1.2技术要求其碳当量首先是碳含量不能高，以保证焊接性能良好；钢中可适量有些锰镍或镍铜比的铜等扩大奥氏体区的元素，有利于正火后特厚板的力学性能均匀；含有一定量的钼有利于提高中温强度；钒铌元素量过多会增大屈强比，对焊接性能也不利；钢板原始奥氏体晶粒细而均匀，对提高强韧性很有好处，并能明显降

48、低钢材的韧脆性转变温度。选用锅筒筒体用的板材或锻件应保证一定的强度的前提下，尽量选用化学成分简单、韧性和工艺性能好、性能对热加工参数不敏感的钢号，确保元件质量的稳定。4.2.2筒体用钢分为碳钢类（20g，SA515Gr.60、P265GH等）、碳锰钢类（16Mng，P355GH，SA299）、低合金钢类（13MnNiMoNbg、BHW35、13MnNiMo54、DIWA353，WB36、DIWA373、15NiCuMoNb5碳含量略高于BHW35，Ni、Mo含量高，Mn含量低，强度高，若Ni/Cu比适当，工艺性能不差。德国推荐代替BHW35）。5锅炉用钢板 目前，按国家标准GB713-1997

49、锅炉用钢板，共有7种：20g、22Mng（SA299）、15CrMog、16 Mng、19Mng（19Mn6）、13MnNiCrMoNbg和12Cr1MoVg等。下面介绍一下比较重要、常用的锅炉板材。1）20g钢板：是锅炉上最常用的碳钢板。它有适当的强度和良好的塑性，还有良好的冶炼、制板、焊接、热处理和冷热成型等工艺性能。它的用途极广泛，主要用于工作温度450的中低压锅炉做锅筒及法兰、集箱端盖等件，但在大型锅炉中用量较少，主要用在压力较低的部位。国外相近牌号有德国的H、日本的SB42和俄罗斯的20K。其化学成分C0.2，Si0.15-0.30，Mn0.50-0.90，S0.035，P0.035

50、；热轧或热处理后的强度水平s185-245，b380-530 MPa；塑性22-26。 2）19Mn6（P355GH、19Mng）钢板：是DIN17155标准中的钢号，其是在以前的19Mn5的基础上调整了Mn含量，并将一些强化元素控制在较低的水平，以保持力学性能与19Mn5相同，是C-Mn细晶粒低合金钢，其在EN10028中的牌号为P355GH。该钢具有良好的综合力学性能，其在500以下的高温力学性能优于碳钢；还具有良好的可焊性以及冷热加工等工艺性能。它主要用于代替22g和16Mng制造高压锅炉的锅筒和封头，在我厂的300MW锅炉的高压加热器和低压加热器制造中也得到应用；也可用于石油化工设备中

51、的高压容器和其它焊接结构件。相近牌号有中国的GB713中的19Mng、16Mng、美国的SA299、日本的SB49和俄罗斯的16。其化学成分C0.15-0.22，Si0.30-0.60，Mn1.00-1.60，S0.030，P0.035，Al0.020，其余有少量限制了上限的合金元素；正回火态下强度水平s300-310，b510-610 MPa；塑性20。3）SA299（22Mng）钢板：是ASME规范中的成熟钢号，为一种成分简单的碳-锰-硅钢，其化学成分和强度级别类似于我国的16Mng和德国的19Mn6，但含碳量更高。常温屈服强度不低于275MPa。该钢的力学性能稳定并有良好的塑性、断裂韧性

52、和抗疲劳裂纹扩展的性能，缺口效应不敏感，钢板厚度方向力学性能也较为均匀。它有良好的冶炼、制板、焊接和成型工艺性能。它主要用于制造工作温度不高于400的300MW和600MW机组锅炉的汽包、下降管、弯头和下环形集箱。相近牌号有中国的GB713中的22Mng该钢在我厂应用较少，若今后我厂有300MW和600MW机组锅炉订货，要求按ASME规范制造，可选用此钢制造汽包等部件。其化学成分C0.28-0.30，Si0.13-0.45，Mn0.90-1.40，S0.040，P0.035，其余有少量限制了上限的合金元素；正火态（或轧态）下强度水平s275-290，b515-655 MPa；塑性20。4）BH

53、W35钢板：BHW35为德国梯森钢厂的钢号，是德国六十年代研制成功的可焊贝氏体型耐热结构钢；其在EN10028中的牌号为13MnNiMo54；我国将其移植到GB713，牌号为13MnNiCrMoNb。它是一种添加有镍、铬、钼和微量铌（铌起细化晶粒并强化的作用）的细晶粒低合金钢。该钢有较好的综合力学性能，有较高的高温屈服点和对裂纹不敏感的特性，良好的焊接性能和工艺性能。适用于工作温度不超过400的各种焊接件，如锅筒、压力容器等构件。我厂主要用其制造200MW、300MW高压、超高压的锅炉汽包，厚度较厚。其化学成分C0.15，Si0.10-0.50，Mn1.00-1.60，S0.025，P0.02

54、5，Cr0.20-0.40，Ni0.60-1.00，Mo0.20-0.40，Nb0.005-0.022；正回火态下强度水平s380-390，b570-740 MPa；塑性18。 在七十年代初我国锅炉制造行业就引入了该钢，由于有优良的力学性能、良好的焊接及工艺性能，得到了各大锅炉厂的重视和应用，主要用于制造200MW锅炉汽包、高压加热器和压力容器等产品。83年我厂在300MW锅炉汽包的选材时，对BHW35和SA299钢板的性能进行了对比，采用BHW35可使锅炉汽包壁厚减小1/4（从203mm降为145mm），经制造和运输带来极大好处。多年来，我厂已经用此钢制造了300MW锅炉汽包约50台，对BH

55、W35的焊接性能和工艺性能已经完全掌握，积累了丰富的生产经验，并制定了和种规程，我厂对其母材和焊接头做了大量的性能试验，特别是特殊性能试验。各种试验结果均表明该钢板及焊接头有较好的性能。目前我国国内已经具备生产BHW35厚板的能力。5）12Cr1MoV钢板：12Cr1MoV为前苏联研制的低合金锅炉用钢，我国五、六十年代引入该钢种，原先一直作为锅炉钢管的主要用钢。该钢具有较好的热强性能和持久塑性，并具有较好的热加工工艺性能和焊接工艺性能，但对热处理较敏感。根据我国电站锅炉制造的要求，我国又研制生产了研制生产了12Cr1MoV钢板。主要用于火电机组锅炉的联箱封头、吊耳，受热面低温段的定位板和吊架支

56、座等部件。其化学成分C0.08-0.15，Si0.17-0.37，Mn0.40-0.70，S0.030，P0.030，Cr0.90-1.20，Cu0.20，Ni0.25，Mo0.25-0.35，V0.15-0.30；正回火态下强度水平s235-245，b430-440 MPa；塑性19。6锅炉管子用钢6.1常用管材 按国家标准GB5310-1995高压锅炉用无缝钢管，共有14种：20G、20MnG、25 MnG，15MoG、20MoG、12CrMoG、15CrMoG、12Cr2MoG、12Cr1MoVG、12Cr2MoWVTiB、12Cr3MoVSiTiB，10Cr9Mo1VNb，1Cr18N

57、i9和1Cr19Ni11Nb等。 下面介绍一下比较重要、常用的锅炉管材。1）20G：是GB5310-95的纳标钢号（国外对应牌号：德国的st45.8、日本的STB42、美国的SA106B），为最常用的锅炉钢管用钢，化学成分和力学性能与20板材基本相同。该钢有一定的常温和中高温强度，含碳量较低，有较佳的塑性和韧性，其冷热成型和焊接性能良好。其主要用于制造高压和更高参数的锅炉管件，低温段的过热器、再热器，省煤器及水冷壁等；如小口径管做壁温480的受热面管子、以及水冷壁管、省煤器管等，大口径管做壁温430的蒸汽管道、集箱（省煤器、水冷壁、低温过热器和再热器联箱），介质温度450的管路附件等。由于碳钢在450以上长期运行将产生石墨化，因此作为受热面管子的长期最高使用温度最好限制到450以下。该钢在这一温度范围，其强度能满足过热器和蒸汽管道的要求、且具有良好的抗氧化性能，塑性韧性、焊接性能等冷热加工性能均很好，应用较广。2）SA-210C（25MnG）：是ASME SA-210标准中的钢号，是锅炉和过热器用碳锰钢小口径管，珠光体型热强钢。我国于1995年将其移植到GB5310，定名为25MnG。其化学成分简单，除碳、锰含量较高外，其余与20G相近，故其屈服强度较20G高约20%左右，而塑、韧性则与20G相当。该钢的生产工艺简单，冷热加工性能好。用其代