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电站锅炉金属材料金属技术监督基础知识中国特种设备检测研究院钱公一、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。•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。•晶体与晶体结构•铁的几种基本固态项α铁、β铁、γ铁、δ铁。纯铁的冷却曲线αβγδ有磁无磁时间温度℃•晶粒和晶界•钢中晶界的特殊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。•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。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•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：将经冷加工变形后的金属部件加热到适当温度并保温后，金属内形成新晶粒并长大，从而获得没有内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：碳原子溶于体心立方α—Fe中形成的间隙固溶体。以α或F表示。渗碳体：晶体结构属正交系，化学式为Fe3C的金属化合物，是钢和铁中常见的固相，在合金钢中为合金渗碳体。奥氏体：碳原子溶于面心立方晶格γ—Fe中所形成的间隙固溶体，以A表示。珠光体：由铁素体和渗碳体所组成的机械混合物，通常呈片层状相间分布。以P表示。索氏体：过冷奥氏体在600℃～650℃左右分解所形成的珠光体，其片层较薄。以S表示。屈氏体（或托氏体）：过冷奥氏体在650℃～550℃左右分解所形成的珠光体，其片层极薄。以T表示。贝氏体：钢铁奥氏体化后，过冷到珠光体转变温度区与Ms之间的中温区等温，或连续冷却通过这个中温区时形成的组织。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：钢铁或非铁金属中通过无扩散共格切变型转变所形成的产物。以M表示。莱氏体：钢铁或高碳高合金钢中由奥氏体（或其转变产物）与碳化物（包括渗碳体）组成的共晶组织。以L表示。石墨：碳的一种同素异构体，晶体结构属于六方晶系，是铸铁中常出现的固相，其空间形态有片状、球状、团絮状、蠕虫状等。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。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：所谓共析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。一次渗碳体＋莱氏体珠光体＋二次渗碳体＋莱氏体铁素体＋珠光体铁素体＋三次渗碳体铁素体奥氏体＋铁素体奥氏体＋二次渗碳体一次渗碳体+莱氏体奥氏体＋二次渗碳体＋莱氏体液体＋一次渗碳体液体＋奥氏体奥氏体奥氏体＋δ铁素体δ铁素体液体液体＋δ铁素体0.8珠光体＋二次渗碳体点的符号温度（℃）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G9210α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铁中的溶解度应用举例1：0.8液体δ铁素体奥氏体＋δ铁素体奥氏体液体＋奥氏体奥氏体＋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＋珠光体珠光体＋二次渗碳体例1应用举例2：0.8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＋珠光体珠光体＋二次渗碳体例2•钢的热处理正火:将钢加热到Ac3或Acm以上30℃～50℃,使钢全部奥氏体化，并保温一定时间，随后在空气中冷却，使之得到珠光体型组织的热处理。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：将工件加热到临界温度以上保持一定时间，使奥氏体化并均匀化后，放入水、盐水或油中（个别材料在空气中）急冷下来以获得马氏体或（和）贝氏体组织的一种热处理操作。淬火目的：提高钢的强度和硬度。回火：将淬火后的工件重新加热到Ac1一下的某一温度，并保持一定时间，随后在油中或空气中冷却到室温的一种热处理操作过程。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℃。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：将钢加热到临界点以上30℃～50℃，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的一种热处理操作过程。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。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。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。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。目的：组织均匀，硬度降低。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，最后随炉冷至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。二、金属在高温长期运行过程中的变化•金属的蠕变在规定温度和恒应力作用下，材料塑性变形随时间而增加的现象，称为蠕变。•金属的蠕变曲线以蠕变变形量作为时间函数所绘制的曲线，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。变形量ε＝常数σ＝常数ε3ε2ε1ε0τ1τ2τ3时间τ典型蠕变曲线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）：蠕变速率随时间逐渐降低的期间称为蠕变第一阶段。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）：蠕变速率恒定的期间称为蠕变的第二阶段。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。⑷、蠕变的第三阶段（曲线BC，即III）：蠕变速率随时间逐渐增加的期间称为蠕变的第三阶段。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。•金属的蠕变极限金属的蠕变极限是指在规定温度下使试样在规定时间内产生的蠕变总伸长率或稳态蠕变速率不超过规定值的最大应力，它表征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•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使用在规定的温度下达到规定的试验时间而不致断裂的最大应力，表征金属材料抗高温蠕变断裂的能力。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：在给定温度下，经105小时发生破坏（或断裂）的应力。其常用符号为бt105•金属的持久塑性金属的持久塑性是指材料在一定温度及恒定试验力作用下的塑性变形。用蠕变断裂后试样的延伸率和断面收缩率表示。持久断后延伸率:持久试样断裂后，在室温下标距的伸长与原始标距的百分比。持久断后断面收缩率:持久试样断裂后，在室温下横截面积最大缩减量与原始横截面积的百分比。•金属的松弛在规定温度及初始变形或位移恒定的条件下，材料中的应力随时间而减小的现象叫应力松弛。松弛过程可以用一个数学表达式来表示，当温度为常数时：ε0＝εp＋εe＝常数式中：ε0－松弛开始时金属所具有的开始的总变形；εp－塑性变形εe－弹性变形松弛过