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一、金属材料基础知识1、金属的晶体结构将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点，即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的数组—空间点阵。晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列。常见的晶体结构有体心立方、面心立方、密排六方。通常所说的α-铁即为体心立方结构，γ-铁即为面心立方结构，Fe3C（渗碳体）即为密排六方结构。铁素体：碳溶于α-铁中的间隙固溶体；奥氏体：碳溶于γ-铁中的间隙固溶体；马氏体：碳在α-铁中的过饱和固溶体；珠光体：铁素体和渗碳体组织的机械混合物。火电厂常见的如20G、15CrMo即为铁素体加珠光体结构；12Cr1MoV即为铁素体加粒状贝氏体或铁素体加珠光体或铁素体加粒状贝氏体加珠光体；12Cr2MoWVTiB为回火贝氏体组织；T91为回火马氏体组织；TP304H，TP347H，发电机转子护环Mn18Cr18为奥氏体组织。低碳钢（C≤0.25%）；中碳钢（C≤0.25～0.60%）；高碳钢（C≥0.60%）随着含碳量的增加钢的强度和硬度逐渐增加，塑性逐步下降，当含碳量超过0.6%以后强度增加就不明显了，达到1%时基本就达到硬度极限了，所以高碳钢的含碳量上限为0.6%，再高就脆了。火电厂常用金属材料的的含碳量均低于0.25%（GB5310-2008）.合金钢：在普通钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目的加入一些合金元素的钢，称为合金钢。合金元素总量小于5%的合金钢叫做低合金钢，5%～10%为中合金钢，大于10%的为高合金钢。用于制造锅炉受压元件的钢板其20℃时的伸长率δ5应不小于18%。其中12Cr1MoV和12Cr2MoWVTiB均为低合金钢，T91，TP304H，TP347H均为高合金钢。镇静钢：镇静钢为完全脱氧的钢。沸腾钢：沸腾钢为脱氧不完全的钢。制造锅炉受压元件的金属材料必须是镇静钢。2、金属材料的性能2.1金属材料的力学性能力学性能是指金属材料外力作用下所表现出来的抵抗变形和破坏的能力。金属力学性能的指针有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。强度：材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。强度指标主要有屈服强度和抗拉强度。屈服强度：材料在承受外力时，当外力不再增加而继续发生塑性变形的现象，叫屈服。开始产生屈服现象时的应力，叫屈服强度。用σs表示。抗拉强度：指试样在拉断前所承受的最大应力。用σb表示。塑性：指金属材料产生塑性变形而不破坏的能力。硬度：指金属表面抵抗其他更硬物压入的能力。目前针对火电厂金属材料硬度控制范围用的较多的是布氏硬度HB。疲劳：金属材料在远低于其屈服强度的交变应力长期作用下发生断裂的现象，称为金属的疲劳。如齿轮、汽轮机叶片、轴以及某些焊接件的破坏等。疲劳破坏的特点是：（1）引起疲劳断裂的应力低于静载荷下的屈服强度（σs）；（2）疲劳断裂时无明显的宏观塑性变形，而是突然破坏，具有很大的危险性；（3）疲劳断面上显示出裂纹源、裂纹扩展区和最后断裂区三个组成部分。一般认为疲劳断裂的原因是由于零件应力集中严重或材料本身强度较低的部位（裂纹、夹杂、刀痕等缺陷）在交变应力的作用下产生了疲劳裂纹，随着应力循环次数的增加，裂纹缓慢扩展，有效承载面积不断减小，当剩余面积不能承受所加载荷时，发生突然断裂现象。金属材料所承受的交变载荷越大，材料的寿命越短；反之，则越长。注：对于电厂割管取样时，应避免由于机加工使表面产生硬化及过热而改变其力学性能。对过热器进行割管检查时，不宜采用火焰割方法割管。2.2金属材料的工艺性能工艺性能好的金属材料易于承受加工，生产成本低；工艺性能差的金属材料在承受加工时工艺复杂，加工成本低。火电厂用的较多的是焊接性能。金属材料获得优质焊接接头的能力，称为金属的焊接性，也称可焊性。焊接性的好坏，主要以焊接有无裂纹、气孔等缺陷以及焊接接头的力学性能来衡量。影响焊接性能的主要因素是钢的含碳量。随着含碳量的增加，焊后产生裂纹的倾向增大。钢中其他合金元素的影响相对小些。3、钢的热处理钢的热处理是指将钢在固态进行加热、保温和冷却来改变钢的组织，从而改变钢的性能的工艺，称为热处理。通常的热处理方式包括：退火、正火、淬火、回火。退火：把钢件加热到略高于临界点（AC1、AC3）某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却），这一工艺过程叫退火。淬火：将钢加热到AC3或AC1以上30～50度，保温后快速冷却的一种热处理工艺，称为淬火。淬火是使钢强化的最重要的方法，其主要目的是为了获得马氏体组织，提高钢的力学性能。淬火能否得到预期的目的，与淬火温度、保温及冷却速度等紧密相关。回火：回火是将淬火钢加热到A1以下的某一温度，保温后在油中或空气中冷却的一种热处理工艺。大多数钢淬火后虽然获得了高的硬度，但脆性大，不能直接使用。通过回火处理，可以降低脆性，提高韧性和塑性，从而满足对工件使用性能的要求。淬火钢存在较大的内应力，容易引起工件的变形和开裂。及时通过回火处理，可以减小或消除内应力。淬火钢中马氏体和残余奥氏体是不稳定组织，都有自发到向稳定组织（铁素体和渗碳体）转变的倾向，从而引起工件尺寸的变化。通过回火使其转变为较为稳定的组织，以保证工件在使用过程中的尺寸稳定性。如T91焊后应进行750～780℃的回火处理。正火：正火是将工件加热至Ac3或Accm以上50～70℃，保温后从炉中取出在空气中冷却的一种热处理工艺。4、不锈钢指在空气、水、盐的水溶液、酸以及其他腐蚀性介质中具有抵抗腐蚀能力的钢。按组织状态分为马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、铁素体-奥氏体双相不锈钢等。火电厂常用不锈钢有马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢和奥氏体型不锈钢。常用的马氏体型不锈钢是Cr13型钢（1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13），1Cr13、2Cr13含碳量低，用于在弱腐蚀介质中、承受冲击载荷作用的零件，如汽轮机叶片等。常用的奥氏体型不锈钢如18-8型铬镍不锈钢1Cr18Ni9Ti（如汽轮机油管）、TP304、TP347、SUPER304等（如受热面）。5、耐热钢指在高温下具有高的热稳定性及热强性的钢。火电厂热力设备的很多零部件长期处于高温、高压和腐蚀介质中，因此，这些零部件需用耐热钢制造。火电厂常见的腐蚀损坏类型有蒸汽腐蚀、烟气腐蚀、垢下腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等。应力腐蚀是在腐蚀介质与拉应力同时作用下引起的腐蚀疲劳。在火电厂中、汽轮机叶片、叶轮、锅炉管道，冷凝器铜管，螺栓等均有应力腐蚀现象。腐蚀疲劳指金属在腐蚀介质和交变应力同时作用下产生的破坏称为腐蚀疲劳。火电厂的集汽联想、汽包和管道结合处、汽轮机叶片、轴类、弹簧等易发生腐蚀疲劳。腐蚀疲劳破坏的过程是：首先在金属表面因介质作用形成腐蚀坑，然后在介质和交变应力的作用下发展成疲劳裂纹，裂纹逐渐扩展至疲劳断裂。有些锅炉部件也会因温度的波动而引起交变的热应力，在交变热应力和腐蚀介质的共同作用下会发生腐蚀性热疲劳破坏。常用的耐热钢按组织可分为珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢。5.1珠光体耐热钢此类钢中加入的合金元素总量一般在5%以下，加入的合金元素主要是Cr、Mo、V。钼是钢中主要的强化元素，铬主要是提高钢的抗氧化性和耐腐蚀能力，钒在钢中起沉淀强化的作用。常用的Cr-Mo及Cr-Mo-V珠光体耐热钢有15CrMo、10CrMo910、12Cr1MoV、35CrMoV等。铬钼钢及铬钼钒钢在使用温度分别超过550℃和580℃后，其组织部稳定加剧，高温氧化速度增加，高温强度显著下降。5.2奥氏体耐热钢奥氏体耐热钢也可作不锈钢使用。6金属材料的高温性能6.1蠕变金属在一定的温度和应力条件下，即使应力低于屈服强度，也会随着时间的延长产生缓慢而连续的塑性变形，这种现象称为蠕变。6.2热疲劳金属材料由于温度的循环变化而引起热应力的循环变化，由此而产生的热疲劳破坏称为热疲劳。热力设备的零部件如叶片、汽缸、转子及锅炉热交换管等会因温度的波动及启动、停炉等，在其内部产生交变热应力而造成热疲劳破坏。热应力的产生是由于温度变化而引起材料的变形（膨胀或收缩），热疲劳裂纹一般在金属表面形成，因为表面存在着最大的热应力、应力集中及介质腐蚀。6.3高温下的组织变化可以通过金相检验的方法检测金属材料在高温状态下组织变化。对于火力发电厂金相一般以现场抽查与割管相结合的方法进行。常规显示组织的方法为化学侵蚀和电解侵蚀。1）珠光体球化钢在高温和应力长期作用下，珠光体中的片层状渗碳体逐渐转变为球状渗碳体并聚集长大的现象，称为珠光体球化。珠光体球化是碳钢和珠光体耐热钢（如20、16Mn、15CrMo、12Cr1MoV钢）在高温下最普遍的组织变化形式。珠光体的球化过程大体包括渗碳体分散、成球、碳化物小球聚集长大，有些地方连成串，最后出现大量的“双重晶界”。球化会使常温下钢的强度如抗拉强度、屈服强度降低，硬度也降低，并能适当提高其塑性。球化会使材料的蠕变极限、持久强度明显下降，蠕变速度加快，缩短使用寿命。12Cr1MoV钢完全球化后，持久强度降低约1/3。火电厂中因锅炉管严重球化所引起的爆管事故时有发生。温度和时间是影响珠光体球化的主要因素。温度越高，球化速度越快。如：DL/T674-1999《火电厂用20号钢珠光体球化评极标准》中将20号钢从原始状态至完全球化共分为5个级别；1级的球化名称为未球化（原始态）；2级为倾向性球化；3级为轻度球化；4级为中度球化；5级为完全球化。评定时，首先在显微镜下将试样作全面观察，选择具有代表性的视场与本标准评级图谱进行比较。在同一检查面上所选择的视场数应不少于3个。如所观察到的球化级别介于两个级别之间，允许用半级来表示，如：1.5级、2.5级等。2）石墨化在高温和应力的长期作用下，钢中的渗碳体分解出游离态石墨的现象，称为石墨化。石墨化是碳钢和珠光体钼钢常发生的一种组织变化。石墨化不仅在很大程度上消除了碳化物对钢的强化作用，而且石墨本身的强度和塑性极低，石墨的存在，相当于空穴存在于钢的内部，从而割裂了集体的连续性，使钢的强度下降，塑性和韧性迅速降低，使钢脆化，很快引起管子爆裂。影响石墨化的主要因素是温度和钢的化学成分。石墨化只在高温下出现，碳钢约在450℃以上，钼钢（0.5%Mo）约在485℃以上，碳钢和珠光体钼钢在其开始石墨化温度以上超温运行，温度越高，石墨化过程越快。6.4火电厂金属材料选材水冷壁管和省煤器管对金属材料的要求：（a）应具有一定的室温强度和高温强度，使管壁厚度不致过厚，从而传热效果良好，并有利于加工。（b）具有良好的抗热疲劳性能和供热性能，以防因脉动疲劳或热疲劳损伤而导致过早损坏。（c）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。任何情况下，汽包筒体的取用厚度不应小于6mm。二、金属材料检测技术1、无损检测在不破坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助现代的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试的方法。常用的无损检测方法有射线（RT）、超声（UT）、磁粉（MT）、渗透（PT）。1）射线：射线探伤是利用射线可当射线穿过被检测物体时，有缺陷部位（如气孔、夹杂等）与无缺陷的部位相比对射线的衰减量不同，通过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位的射线强度，因而可以通过检测透过物体后的射线强度的差异来判断工件中是否存在缺陷。射线检测容易检测出那些形成局部厚度差的缺陷。对气孔和夹渣等埋藏体积型缺陷有很高的检出率，对裂纹类缺陷的检出率则受透照角度的影响。不能检测出垂直照射方向的薄层缺陷，如钢板的分层。2）超声：超声波探伤原理是利用材料本身或内部缺陷对超声波传播的影响，来判断结构内部及表面缺陷的大小、形状和分布。比较适用于埋藏的面积型缺陷的检验。3）磁粉：当材料或工件被磁化以后，若材料表面或近表面存在缺陷，便会在缺陷处形成一漏磁场。此漏磁场将吸引、聚集检测中施加的磁粉，而形成缺陷显示。如果不采用磁粉，而使用某种仪器来检测此漏磁场的方法还有探测线圈法、磁场测定法、磁带记录法等。只能适用于检查铁磁性材料，用来检查材料或工件的表面及近表面缺陷，而不能检