火电厂用钢 金属学基础知识 钢的热处理 钢的力学性能和.ppt

1、火电厂金属材料,西安热工研究院有限公司 二五年十月,材料技术部 李益民 电话13909189463 Emai:,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

2、、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

3、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

4、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

5、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）,2 Fe-Fe3C相图 铁与碳的特性 铁的特性 碳的特性 铁和碳的作用,图8 FeFe3C合金

6、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）,3 FeC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

7、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

8、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10 45#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

9、） 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（

10、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）,

11、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

12、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）L0 A（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

13、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/T 230.12002 金属洛氏硬度试验 第1部分:试验方法 GB/T 230.22002 金属洛氏硬度试验 第2部分:硬度计的检验与校准 GB/T 230

14、.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/T 18181994 金属表面洛氏硬度试验方法 GB/T 4340.11999 金属维氏硬度试验 第1部分：试验方法 GB/T 4340.21999 金属维氏硬度试验 第2部分: 硬度计的检验 GB/T 4340.31999 金属维氏硬度试验 第3部分: 标准硬度块的标定 GB/T 43412001 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

15、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14 S-N曲线,图15 16Mn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16 BHW35钢的应力-循环周次关系,图17 BHW35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

16、）,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KC KIC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u COD判据 试验标准,四.钢的力学性能和微观组织（16）,图19 SA299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JIC J积分判据 试验标准,四.钢的力学性能和微

17、观组织（18）,图20 16Mn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21 BHW35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22 A470 (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

18、/；Tv,图24 12Cr1MoV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25 12Cr1MoV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29800h 3、运行50000h 图26 10CrMo910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27 10CrMo910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28 10CrMo910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29 10CrMo910钢的L-M参数曲线,图30 12Cr1MoV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31 12Cr1MoV钢的蠕变曲线,四.钢的力学性能和微观组织（31）,图32 12Cr1MoV钢i -的关系曲线,四.钢的力学性能和微观组织