电站锅炉金属材料基础知识

电站锅炉金属材料基础知识电站锅炉金属材料基础知识一、金属学及热处理基本知识•金属学基本概念金属学就是研究金属和合金的性能与它们内部结构之间的关系，以及影响金属与合金组织和性能的因素的一门科学。•铁的几种基本固态相α铁、β铁、γ铁、δ铁。•在钢中晶界的重要特性晶界比晶粒容易被腐蚀；晶界的熔点比晶粒低；当金属内部发生相变时，晶界是优先成核的部位；原子在晶界上扩散比晶粒内快；晶界对晶粒的滑移变形起阻碍作用，晶界不易产生塑性变形；晶界处容易聚集与晶粒元素不同的其他杂质元素的原子。时间无磁有磁δγβα纯铁的冷却曲线•等强温度Tθ晶界强度和晶粒强度相等时的温度称为等强温度Tθ。•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，金属的强度和硬度会升高，塑性和韧性会降低，这种现象称为加工硬化（或冷作硬化）。再结晶过程：当温度升高时，变形金属的冷变形组织（被拉长的晶粒）逐渐回复到原来的晶粒形状，金属性能恢复到原来的性能的过程称为再结晶过程。•钢及铸铁中的几种基本组织铁素体：碳和其它合金元素在α铁中的固溶体称为铁素体。以F表示。渗碳体：渗碳体是铁和碳的化合物，或以化合物为基体的固溶体，以Fe3C表示。电站锅炉金属材料基础知识强度温度温度Tθ晶界晶粒晶粒强度与晶界强度随温度的变化奥氏体：奥氏体是碳和其它元素在γ铁（面心立方晶格）中的固溶体，以A表示。珠光体：珠光体是铁素体和渗碳体以彼此相间片层状排列的机械混合物，以P表示。索氏体：索氏体即是片层较细的珠光体，以S表示。屈氏体（或托氏体）：屈氏体（或托氏体）即是片层极细的珠光体，以T表示。贝氏体：贝氏体是铁素体和渗碳体的机械混合物，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。马氏体：碳在铁素体中的过饱和固溶体，以M表示。电站锅炉金属材料基础知识莱氏体：莱氏体是一种机械混合物，在高温时由奥氏体和渗碳体组成，在常温时由奥氏体转变得到的珠光体加渗碳体组成，以L表示。石墨：石墨是碳以六方柱状形式的结晶状态。石墨在钢中的可以以三种形状存在，即片状（花瓣状）、雪花状、球状。其中以片状对金属的危害最大。•铁碳平衡图平衡图也叫相图或状态图，是表示合金体系在平衡状态时各相区温度和成分极限的图解。一般最常用的平衡图是二元系的平衡图。二元系的平衡图以纵坐标表示温度，横坐标表示合金的成分。知道了合金的成分和温度，就可以在平衡图上找到相应的平衡状态下的组织，并可用杠杆定律求出两相区相的相对量。从平衡图上也可以知道一定成分的合金在冷却过程中相的变化。电站锅炉金属材料基础知识0.8液体＋δ铁素体液体δ铁素体奥氏体＋δ铁素体奥氏体液体＋奥氏体液体＋一次渗碳体奥氏体＋二次渗碳体＋莱氏体一次渗碳体+莱氏体奥氏体＋二次渗碳体奥氏体＋铁素体铁素体铁素体＋三次渗碳体铁素体＋珠光体铁素体＋二次渗碳体珠光体＋二次渗碳体＋莱氏体一次渗碳体＋莱氏体铁碳平衡图中的特性点点的符号温度（℃）含碳量（％）说明A15340纯铁的熔点B14930.51包晶反应时液态合金的浓度C11474.3共晶点D~16006.67渗碳体的熔点E11472.06碳在γ铁中的最大溶解度F11476.67渗碳体G9100α铁－γ铁同素异形转变点H14930.10碳在δ铁中的最大溶解度J14930.16包晶点K7236.67渗碳体M7690磁性转变点N13900γ铁－δ铁同素异形转变点O769~0.5磁性转变点P7230.02碳在α铁中的最大溶解度S7230.8共析点Q100~0.008碳在α铁中的溶解度铁碳平衡图是铁和碳的二元系相图。严格来说，铁碳平衡图应当是铁和石墨的平衡图。而我们应用最多的是含碳量6.67％以下的富铁部分平衡图，而且是铁和化合物Fe3C的一种平衡图。因此，虽然铁碳平衡图有Fe－C和Fe－Fe3C两种，但实际上都把Fe－Fe3C系的平衡图称为铁碳平衡图。包晶反应：所谓包晶反应即由一个固相和一个液相反应成为一个固相的反应。共晶反应：所谓共晶反应即由一个液相反应成两个固相的反应。共析反应：所谓共晶反应即由一个固相反应成两个固相的反应。杠杆定律：当测定各相的相对量时，可先通过已知点做水平线，此水平线在该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。电站锅炉金属材料基础知识•钢的热处理正火:即是将钢加热到Ac3以上30～50℃，在此温度停留一段时间后，将钢在静止空气中冷却的一种操作。正火目的：①、细化晶粒，改善钢的力学性能，并可作为某些钢（如20G锅炉管）的最终热处理。②、改善组织，以改善切削加工性能，并为淬火做组织准备。淬火：即是把钢加热到临界点（Ac3或Ac1）以上某一温度，并在此温度停留一段时间后，迅速冷却，以得到不稳定状态组织的一种操作。钢在淬火后一般得到的是马氏体组织，但对高合金奥氏体钢则淬火后为奥氏体组织。奥氏体钢淬火也被称为固溶处理或水韧处理。淬火目的：提高钢的强度和硬度。电站锅炉金属材料基础知识回火：即是将淬火后的钢加热到低于Ac1的温度，在此温度停留一段时间后冷却的一种操作。回火目的：①、得到较为稳定的组织。②、减小或完全消除钢淬火后存在于钢中的应力，降低淬火钢的脆性，得到工件所需要的最后的性能。常见的回火类型：①、低温回火回火温度为150～250℃。目的：消除工件中的部分内应力，稍稍提高韧性，但仍使工件保持着高的淬火硬度。适用范围：高碳钢和合金钢制造的刀具、量具等。②、中温回火回火温度为350～480℃。电站锅炉金属材料基础知识目的：使钢具有较高的弹性和韧性。适用范围：常用于弹簧和热冲模。③、高温回火回火温度为450～670℃（对碳钢或低合金钢）或更高温度（对中、高合金钢）。目的：完全消除内应力，回火后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口的焊后热处理以及结构钢的最终热处理。退火：钢的退火可分为再结晶退火和退火两种。再结晶退火：即是将冷加工后的工件加热到Ac1以下温度，使冷加工后的不稳定的变形组织变为稳定的组织状态。这种退火没有相变发生。电站锅炉金属材料基础知识常见的退火类型：①、完全退火完全退火是将钢加热到Ac3以上，使钢全部变成奥氏体的工艺。目的：细化晶粒，改善钢的力学性能或为淬火作组织准备；降低钢的硬度以利于加工；消除内应力。适用范围：亚共析钢和共析钢组织的碳钢及合金钢铸件和锻件。如汽轮机气缸25钢铸件在铸造后即采用完全退火。②、不完全退火不完全退火与完全退火不同，其加热温度较低，为Ac1＋（20~30℃），在此温度加热保温后缓慢冷却。电站锅炉金属材料基础知识目的：降低钢的硬度，改善切削性能，并为淬火作组织准备。适用范围：主要用于过共析钢、合金工具钢及轴承钢。这些钢均是含碳量较高的钢，在不完全退火的加热温度下，其组织为奥氏体加二次渗碳体（对合金钢为碳化物）。之所以不采用完全退火工艺的原因在于，如采用完全退火，钢中所有含碳量均会溶于奥氏体中，导致奥氏体含碳量的含碳量提高，稳定性加大。如要获得均匀的退火组织，其冷却速度必须很慢。这样将大为延长退火时间，对生产不利。另外，对这些刚采用不完全退火，可使二次渗碳体易于成为球状，对降低钢的硬度并为淬火组织准备更为有利。电站锅炉金属材料基础知识③、扩散退火扩散退火即是将钢加热到很高的温度，通常为Ac3以上200℃左右，保温较长时间，然后缓慢冷却。目的：使钢的成分均匀。适用范围：高合金钢锭或铸件。④、等温退火等温退火即是把钢加热到临界点以上温度，使其转变为奥氏体，并保温一段时间使奥氏体均匀后，冷却到预定温度，并在该温度下保温一段时间，使奥氏体等温分解成珠光体的热处理工艺。等温退火的加热温度与完全退火的加热温度一样。二者不同之处在于冷却方式。这种退火方式可以说是完全退火的特殊形式。电站锅炉金属材料基础知识目的：组织均匀，硬度较低。适用范围：合金钢。⑤、球化退火球化退火即是将钢按照完全退火的加热速度加热到Ac1＋（20~30℃），保温后，再按照每小时20~50℃的速度降至该钢Ar1以下一个温度，并在这个温度保温较长时间，最后随炉冷致450~500℃左右出炉，再在空气中冷却的工艺。通过这种退火后，珠光体中的渗碳体及钢中的二次渗碳体均为球状，故称为球化退火。目的：降低硬度，以便于加工，并使钢中的渗碳体变为球状，以为淬火作好组织准备。电站锅炉金属材料基础知识二、金属在高温长期运行过程中的变化•金属的蠕变金属在高温下，即使其所受的应力低于金属在该温度的屈服点，在这样的应力长期作用下，也会发生缓慢的但是连续的塑性变形，这样的一种现象称为蠕变现象，所发生的变形称为蠕变变形（或蠕胀）。•金属的蠕变曲线蠕变现象通常用画在“变形－时间”坐标上的曲线来表示，这种曲线称为蠕变曲线。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。电站锅炉金属材料基础知识典型蠕变曲线分为以下四个部分：⑴、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。⑵、蠕变第一阶段（曲线O’A，即I），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。⑶、蠕变的第二阶段（曲线AB，即II），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。电站锅炉金属材料基础知识⑷、蠕变的第三阶段（曲线BC，即III），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。一般认为，在正常的使用条件下，高温金属部件的使用期限应当在蠕变第三阶段发生以前。长期以来，人们总是把蠕变第二阶段终了时的蠕变变形量作为金属在使用时的极限变形量。但考虑到蠕变第三阶段的时间与总的时间相比，占的比例较大，因此，对于电站的某些高温部件，例如主蒸汽管道，它们的允许变形量并不受外界条件的限制（与某些部件因机械结构的公差的限制不允许变形量很大是有区别的），而是由金属本身的变性能力所支配，对于这样的高温金属部件，认为它们只能使用到第二阶段终了时的看法是值得商榷的。电站锅炉金属材料基础知识变形量ε＝常数σ＝常数ε3ε2ε1ε0τ1τ2τ3时间τ典型蠕变曲线•金属的蠕变极限金属的蠕变极限是这样一个应力，在这个应力下，金属在一定温度下于规定时间内产生规定的总的塑性变形量；或者在这个应力下，金属在某一温度下引起规定的蠕变速度。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•时（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电站锅炉金属材料基础知识•金属的持久强度金属材料的持久强度和蠕变极限一样，是评定在高温和应力下长期使用的部件金属材料的强度指标。由于金属持久强度试验一直要进行到试样的断裂，所以它可以反映金属材料在高温长时断裂时的强度和塑性。金属的持久强度是指在给定温度下经过一定时间破坏时所能承受的应力。金属的持久强度也称持久强度极限。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