钱公--电站锅炉金属材料金属技术监督基础知识-2011

1、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 铁、铁、铁、 铁。纯铁的冷却曲线有磁无磁时间温度 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

2、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T 晶界强度和晶粒强度相等时的温度称为等强温度T 。强 度温 度温 度T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Fe中形成的间隙固溶体。以或F

3、 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600650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650550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

4、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

5、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

6、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 铁 素 体 铁 素 体液 体液

7、体 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D16006.67渗碳体的熔点E11472.06碳在铁中的最大溶解度F11476.67渗碳体G9210铁铁同素异形转变点H14930.10碳在铁中的最大溶解度J14930.16包晶点K7236.67渗碳体M7690磁性转变点N13900铁铁同素异形转变点O7690.5磁性转变点P7230.02碳在铁中的最大溶解度S7230.8共析点Q1000.008碳在铁中的溶解度应用举例1：0.8液体铁素体奥氏体铁素体奥氏体液体奥氏体奥氏体二次

8、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 铁 素 体液 体 铁 素 体奥 氏 体 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3050 ,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： 、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。 、改善组织，以改善切削加工性能，并

9、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： 、得到较为稳定的组织。 、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： 、低温回火 回火温度为150250 。 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

10、度。 适用范围：高碳钢和合金钢制造的刀具、量具等。 、中温回火 回火温度为350480 。 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。 、高温回火 回火温度为450670 （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3050，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

11、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： 、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。 、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 （2030 ），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。 、扩散退火 扩散退火即是将钢加热到

12、 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。 、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。 、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（2030 ），保温后，再按照每小时2050 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450500 左右出炉，再在空气中冷却的工艺。 通过这种

13、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。变形量常数常数3210123时间典型蠕变曲线典型蠕变

14、曲线分为以下四个部分： 、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。 、蠕变第一阶段（曲线OA，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。 、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

15、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。、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

16、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： 、在 一 定 温 度 下，能 使钢 材 产 生 1107毫米/毫米时 （或1105/时）的第二阶段蠕变速度的应力，就 称为 该 温度下1107 （或1105）的蠕变极限。 所用符号为 t1107 （或 t1105 ）。 、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 t1/105 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

17、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 t105 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

18、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： 0 p e 常数 式中： 0 松弛开始时金属所具有的开始的总变形； p 塑性变形 e 弹性变形 松弛过程中， 0 常数， p 常数，e 常数 。即由于总变形量不变，而其中的弹性变形转变为塑性变形，因而零件中的应力随时间而降低。应力时间常数r 0应力松弛曲线 金属在高温长期运行过程中组织的变化 无论奥氏体钢或珠光体钢，在高温下长期运行，不但会发生蠕变、断裂和应力松弛等形变过程，而且还会发生一些组织和性能的变化。 锅炉高温部件所用钢

19、材在高温长期运行过程中发生的组织性能变化主要有： 珠光体的球化和碳化物的聚集； 石墨化（仅限于不含铬的珠光体耐热钢）； 时效和新相的形成（如不锈钢中 相的形成等）； 热脆性； 合金元素在固溶体中和碳化物相之间的重新分配。 等等。 珠光体的球化和碳化物的聚集 这是所有珠光体耐热钢最常见的组织变化。 珠光体球化是指钢中片层状珠光体组织，在高温长期应力作用下，珠光体中的片层状渗碳体（或碳化物），通过原子扩散方式逐渐变成球状，并随时间的延长不断聚集长大的现象。 球化后的碳化物继续增大自己的尺寸，使小直径的球变成大直径的球，这就是碳化物的聚集。 珠光体的球化对钢的性能的影响 一般来说，珠光体球化对钢的室

20、温力学性能和耐热性均有一定程度的影响，对于不同的钢，其影响程度不一。 、珠光体球化会使钢的室温强度极限和屈服点降低。 、珠光体球化会使钢的蠕变极限和持久强度降低。举例：20号钢球化评级球化名称球化级别组 织 特 征未球化(原始态)1级球光体区域中的碳化物呈片状倾向性球化2级珠光体区域中的碳化物开始分散，珠光体形态明显轻度球化3级珠光体区域中的碳化物已分散，并逐渐向晶界扩散，珠光体形态尚明显中度球化4级珠光体区域中的碳化物已明显分散，并向晶界聚集，珠光体形态尚保留完全球化5级珠光体形态消失，晶界及铁素体基体上的球状碳化物已逐渐长大 石墨化 石墨化就是钢中的渗碳体分解成为游离碳，并以石墨形式析出，

21、在钢中形成石墨夹杂，使钢的脆性急剧增大的现象。 碳钢和0.5Mo钢等不含铬的珠光体耐热钢在高温长期运行过程中会产生石墨化的现象。 石墨化对钢的性能的影响 当钢中产生石墨化现象时，由于碳从渗碳体中析出成为石墨，钢中渗碳体数量减少；另外，石墨在钢中割裂基体，起裂纹作用，而石墨本身强度又极低，因此，石墨化对钢的强度有所影响。 另外，由于钢的室温冲击性能也有一定的影响。 时效和新相的形成 时效过程是指工件经固溶处理或淬火后，在室温或高于室温的适当温度下保温，以达到沉淀硬化目的的一种热处理操作过程。耐热钢或耐热合金制的高温部件在长期运行过程中，从过饱和固溶体内析出一些强化相质点而使金属的性能（主要是力学

22、性能和蠕变极限等）随时间发生变化的现象，也称时效，它是固溶体脱溶过程或脱溶分解的简称。 当耐热钢和耐热合金中的固溶体由于热处理时从高温冷却较快或别的原因，使固溶于其中的合金元素来不及析出时，就形成不稳定的过饱和固溶体。在以后的运行中就会发生时效。 热脆性 热脆性是指某些钢材长时间停留在400550区间，在冷却到室温后其冲击值显著下降的现象。 合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配 钢在高温长期作用下，不但会发生珠光体球化、石墨化、时效等，钢中合金元素还会发生在固溶体和碳化物相之间的重新分配过程。这一过程的发生是由于在高温下合金元素原子活动能力的增加而产生的转移过程。三、金属力学性能试验基本知

23、识 金属材料的力学性能是金属材料在外力作用下表现出来的特性，如弹性、强度、硬度、韧性、塑性等。不同的受力条件会使金属材料表现出不同的特性，如静力拉伸力作用下金属材料的强度和塑性特性，动力负荷即冲击负荷下金属材料所表现出来的韧性特性指标等。 静力试验下的力学性能 静力试验的意义是，向试样上加力（负荷、载荷）的速度是缓慢而均匀的，或者是以固定不变的力加在试样上并保持很长的时间。显然，在静力试验时，试样的变形速度不大。 拉伸试验 在拉伸试验时，可以得到强度、塑性等力学性能的指标： 强度：金属抵抗永久变形和断裂能力的总称。 塑性：断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。 拉伸曲线 在对金属拉伸试样进行拉伸

24、试验时，可以得到一条画在负荷伸长量坐标上的曲线，这就是拉伸曲线。 抗拉强度：试样拉断前承受的最大标称拉应力，对于塑性材料，它表 征材料最大均匀塑性变形的抗力，对于没有（或很小）均 匀塑性变形的脆性材料，它反应了材料的断裂抗力。 屈服强度（屈服点）：有明显屈服现象的材料试样在拉伸试验过程中 力不增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。 拉伸曲线l全部l弹性l塑性PZPBPsPe伸长载荷 硬度 所谓金属的硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的抗力，是衡量金属软硬的判据。 我国常用的几种硬度检测方法 里氏硬度：用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表 面，用冲头在距试

25、样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的 比值计算的硬度值。 布氏硬度：用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示的硬度值。 洛氏硬度：用洛氏硬度相应标尺刻度满量程值与残余压痕深度增量之 差计算的硬度值。 维氏硬度：用正四棱锥形压痕单位表面积上所承受的平均压力表示的 硬度值。 动力试验下的力学性能 韧性：金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性。 冲击吸收功：规定形状和尺寸的金属试样在冲击试验力一次作用下折 断时所吸收的功。 冲击韧度：冲击试样缺口底部单位面积上的冲击吸收功。 韧脆转变温度：在一系列不同温度的冲击试验中，冲击吸收功急剧变 化或断口断裂形貌急剧转变的温度区域。 断裂形貌转变温度FATT

26、：在一系列不同温度下，用夏比“V”形缺口试 样进行冲击试验，根据断口的脆性面积（结晶状面积）与断口总 面积的比值确定材料的韧脆转变温度。常用50%的面积比表示材 料的韧脆转变温度，即FATT50。 四、金属技术监督基本知识 金属技术监督的范围 a)工作温度大于等于400的高温承压部件(含主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道、过热器管、再热器管、联箱、阀壳和三通)，以及与管道、联箱相联的小管；b)工作温度大于等于400的导汽管、联络管；c)工作压力大于等于3.82MPa的锅筒和直流锅炉的汽水分离器、储水罐；d)工作压力大于等于5.88MPa的承压汽水管道和部件(含水冷壁管、蒸发段、省煤器管、联箱和主给水

27、管道)；e)汽轮机大轴、叶轮、叶片、拉金、轴瓦和发电机大轴、护环、风扇叶；f)工作温度大于等于400的螺栓；g)工作温度大于等于400的汽缸、汽室、主汽门、调速汽门、喷嘴、隔板和隔板套；h) 300MW及以上机组带纵焊缝的低温再热蒸汽管道。 金属技术监督的目的 通过对受监部件的检验与诊断，及时了解并掌握设备金属部件的质量状况，防止机组涉及、制造、安装中出现的与金属材料相关的问题以及运行中材料老化、性能下降等因素而引起的各类事故，从而减少机组非计划停运次数和时间，提高设备安全运行的可靠性，延长设备的使用寿命。 金属技术监督的任务 a)做好受监范围内各种金属部件在制造、安装、检修及老机组更新改造中材料质量、焊接质量、部件质量监督以及金属试验工作； b)对受监金属部件的失效进行调查和原因分析，提出处理对策； c)按照相应的技术标准，采用无损探伤技术对设备的缺陷及缺陷的发展进行检测和评判，提出相应的技术措施；d)按照相应的技术标准，检查和掌握受监部件服役过程中表面状态、几何尺寸的变化、金属组织老化、力学性能劣化，并对材料的损伤状态作出评估，提出相应的技术措施；e)对重要的受监金属部件和超期服役机组进行寿命评估