火电厂常用金属材料

1、电厂金属材料 一、金属材料的性能及组织 二、电厂常用的金属材料电厂常用的金属材料 三、电厂三、电厂金属部件失效案例一、金属材料的性能及组织 1.物理性能 2.化学性能 3.机械性能 4.高温性能 5.高温下长期运行后的 组织转变 6.金属的疲劳 7.金属的腐蚀 8.其它性能1.物理性能 密度：某种物质单位体积的质量。钢的密度7.8g/cm3熔点：金属材料由固态转变为液态的温度。 热膨胀性：金属及合金受热时体积增大，冷却时又收缩的一种性能。 导热性：金属材料在加热时能传导热能的性能。 导电性：金属材料传导电流的性能。 磁性：金属被磁铁磁化或吸引的性能。 耐磨性：金属抵抗磨损的性能2. 化学性能

2、耐腐蚀性：金属材料抵抗空气、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏的能力。 抗氧化性：金属材料在室温或高温条件下， 抵抗氧化作用的能力。 化学稳定性：是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。 化学性能主要取决于钢的化学成分及其热处理工艺3.机械性能 强度指标 塑性指标 硬度 冲击韧性 刚性3.1.强度指标 抗拉强度：表示材料在拉伸条件下能负担的最大外力，是试样拉断前最大的应力，即最大拉力与原来的横截面积之比。单位：MPa。 屈服强度：是指材料在拉伸试验过程中开始发生明显塑性变形时的应力。单位：MPa。3.2塑性指标 塑性：是指材料断裂前承受塑性变形的能力。 塑性指标：伸长率A % 、断面收缩率Z % 伸长

3、率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。 断面收缩率：试样拉断后，断面横截面积最大的缩减量与原始截面积的百分比。3.3硬度 硬度：金属材料抵抗更硬的物体压入其表面的能力。 硬度试验方法有很多种，对于电厂金属材料来讲，实验室主要采用布氏硬度试验方法（硬度值HB ） ，现场检验常用的是里氏硬度试验方法（硬度值HLD ）， HLD可换算成 布氏硬度HB。 硬度与强度之间有线性关系：b=kHB K=0.34-0.36退火状态的碳钢 K=0.33-0.35合金调质钢3.4冲击韧性 冲击韧性：表示材料抵抗冲击载荷的能力。用符号ak表示，单位J/cm2 akU；表示U型缺口形状试样的冲击韧性。 akv

4、；表示V型缺口形状试样的冲击韧性。3.5刚性 刚性：表示材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量E：表示材料抵抗弹性变形能力的一个参数， E值由试验测得，单位GN/m2 ，称吉帕GPa。4.金属材料的高温性能 蠕变极限 持久强度 持久塑性 热脆性 应力松弛4.1 蠕变及蠕变极限 蠕变：金属在一定温度和应力作用下，随着时间的增加慢慢地发生塑性变形的现象。 蠕变极限：在规定的温度和规定的时间内，试样产生规定的蠕变伸长率的应力值。锅炉、汽机主要部件工作时间规定10万小时。 蠕变极限符号：t1x10-5 蠕变影响因素：温度、应力、时间、金相组织（贝氏体最高，马氏体次之，铁素体珠光体最差）。 应用：汽轮机叶片

5、、叶轮、隔板等部件在高温及应力长期作用下，对蠕变要求严格，这些部件进行强度计算时，蠕变极限作为一个高温强度计算指标。对于锅炉管子蠕变极限作为强度校核指标，在导气管、主蒸汽管道上安装蠕变测点，定期测量其蠕变变形，对蠕变严重的管子及时更换。4.2持久强度 持久强度：金属材料在高温和应力的长期作用下抵抗断裂的能力。电站设备零件设计中以高温下运行10万小时断裂时的应力作为持久强度。 持久强度试验：试验室是通过一组试样，在给定的温度、不同应力下测量其断裂时间，最长试验时间约10000小时，再外推10万小时得出持久强度值。 符号： t105 ，单位MPa 影响因素：冶金质量、热处理、金相组织、晶粒度、预变

6、性、温度波动、其它因素如腐蚀、结构突变处应力集中等影响。4.3持久塑性 持久塑性：金属材料在高温和应力的长期作用下断裂时发生塑性变形的能力。是在高温下工作部件的一个重要指标。 通过持久强度试验，用试样断裂后的延伸率及断面收缩率来表示。 符号：延伸率A=(L1-L0)/LO X100% ，断面收缩率Z=(F0-F1)/FO X100%。 对于在高温下长期运行的锅炉钢，一般希望A不低于3%-5%。4.4 热脆性 热脆性：在高温和应力的长期作用下，钢的冲击韧性产生下降的现象。 影响因素：化学成分（ P Cr Mn Ni增加热脆性，Mo W V减小热脆性，）、组织特征、蠕变的塑形变形和新相的产生、运行

7、时间4.5应力松弛 应力松弛：在高温和应力长期作用下，如维持总变形量不变，随着时间的增加，应力逐渐降低的现象。 用途：是紧固件材料在高温时的重要特征之一，紧固件材料的选用和计算主要是根据钢材的松弛稳定性而定的。 影响因素：合金元素（V Ti提高松弛稳定性，碳钢中含碳量0.17%时最好，低合金钢中含碳量由0.2%增加至0.3%松弛稳定性急剧下降）、热处理（正火加回火比淬火加回火好，奥氏体化温度高松弛稳定性好，回火温度高松弛稳定性差）5.钢的组织稳定性 钢的组织稳定性：钢在高温下长期运行过程中组织状态不发生显著变化的性能。 组织变化有：珠光体的球化、碳化物析出及聚集长大、石墨化（碳钢、钼钢）、合金

8、元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配5.1珠光体的球化 在高温长期应力 作用下，珠光体组织中片状渗碳体逐渐自发的转变为球状渗碳体，并慢慢聚集长大的现象。 原因：片状渗碳体表面积大，球状渗碳体表面积大最小，球化过程是一种表面能量由高向低转变的过程。 影响因素：温度、时间、应力、刚的化学成分、冷变形及晶粒度5.2石墨化（碳钢、钼钢） 定义：在高温长期应力作用下，刚中珠光体内渗碳体分解成铁和游离石墨。 Fe3C3Fe+C 危害：石墨没有强度及韧性，石墨化3-3.5级强度下降17-18%。 影响因素：温度、时间、合金元素、晶粒度及冷变形5.4合金元素向碳化物中转移 在高温下长期运行过程中，原来固熔于铁

9、素体中的合金元素会析出转移到碳化物中。使钢的固熔强度降低。6.金属部件的疲劳 疲劳断裂：指金属材料在强度极限以下，长期承受重复交变载荷的作用，在未发生明显塑性变形的情况下突然断裂的现象。 疲劳强度：指金属材料在重复交变载荷的作用，能承受无限次循环而不破坏的最大应力。钢铁材料的试验循环次数为107 。在对称循环下的疲劳强度用符号-1表示，单位MPa。 热疲劳:由温度应力周期变化而引起的疲劳破坏。 腐蚀疲劳：在交变应力作用下，钢在腐蚀介质中的破坏。 接触疲劳：两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，由于交变接触压应力的反复作用，使材料表面疲劳而产生物质损失的现象。7.金属部件的腐蚀 应力腐蚀: 烟气腐蚀

10、 蒸汽腐蚀 垢下腐蚀7.1.应力腐蚀 应力腐蚀：金属在应力（拉应力或内应力）和腐蚀介质联合作用下引起的一种破坏。 产生应力腐蚀条件：一定的拉应力或内部残余应力；金属本身对应力腐蚀的敏感性；能引起该金属发生应力腐蚀的特定介质。 危害：应力腐蚀过程没有明显的塑性变形，会导致设备突然损坏，造成重大事故。 不锈钢应力腐蚀开裂：最容易引起不锈钢应力腐蚀的介质是氯离子、硫化氢、氢氧化钠溶液。7.2.烟气腐蚀 烟气腐蚀：由于烟气中含硫而引起锅炉受热面管子腐蚀称烟气腐蚀或硫腐蚀。 部件：锅炉尾部受热面省煤器、空气预热器易发生硫腐蚀。含镍高的合金钢易发生硫腐蚀，腐蚀特征，金属表面遭区域性破坏。7.3.蒸汽腐蚀

11、蒸汽腐蚀：指高温过热器管内壁金属与介质作用生成氧化铁膜的现象。 部件：低合金钢、马氏体钢、奥氏体钢中都存在蒸汽腐蚀，奥氏体钢最突出，工程上有待解决的问题。7.4.垢下腐蚀 垢下腐蚀：由于锅炉给水水质不好，水中杂质在水冷壁内壁堆积结垢，垢下管壁金属与杂质中的氧化物（氧化铁和氧化铜）发生电化学反应，管壁金属为阴极，不断被腐蚀下去。 部件：锅炉水冷壁向火侧内壁易发生垢下腐蚀。 预防：控制好锅炉给水水质，控制好给水PH值。8.金属材料的其它性能 加工硬化：金属材料发生塑性变形以后，随着变形量的增加，材料抵抗塑性变形的能力不断增加，要使材料继续变形就得不断增加外力的现象。 时效：合金钢经淬火后获得的过饱

12、和固熔体是不稳定的组织，在一定温度下，第二相从过饱和固溶体中慢慢析出，使合金强度和硬度明显提高，这种现象称时效。 工艺性能：机械加工性能。碳钢、低合金钢较好，高合金钢较差。 焊接性能：是否容易焊接。碳钢、低合金钢、奥氏体钢焊接性能较好，高合金钢较差，铸钢焊接性能最差。二、电厂常用的金属材料二、电厂常用的金属材料 1、碳钢 2、锻钢 3、铸钢 4、合金钢 5、耐热钢 6、电厂动力设备主要零部件用钢1.碳钢碳钢 碳钢：含碳量在0.02-2.11%的铁碳合金称为碳钢，实际使用的碳钢含碳量一般不超过1.4%。 特点：冶炼及加工简便，有一定的机械性能和良好的工艺性能，价格低廉。 分类：有5种，按含碳量；

13、按钢中硫、磷含量；按用途；按冶炼方法；按脱氧方法。1.1 碳钢分类 1、按钢中含碳量分类 1.1低碳钢：含碳量0.25% 1.2中碳钢：含碳量0.25%-0.60% 1.3高碳钢：含碳量0.60% 2.按钢中硫、磷含量分类 2.1普通碳素钢：硫含量0.055%、磷含量0.045% 2.2优质碳素钢：硫含量0.040%、磷含量0.040% 2.3高级优质钢：硫含量0.030%、磷含量0.035%1.2碳素结构钢的牌号用途 牌号：Q195、 Q215、 Q235、 Q255 、Q275 举例： Q235-A.F 用途：用于450以下的受力不大的零部件。如 ：汽轮机后气缸、凝气器外壳、汽轮发电机隔板

14、、汽轮机及锅炉上的密封板、平台及栏杆等等。 1.3.优质碳素钢牌号及用途 与普通碳素结构钢区别：优质碳素钢必须同时保证化学成分及力学性能，S.P含量较少，C的波动范围小，力学性能较好。 牌号：以钢的含碳量的万分之几表示，如：20表示平均含碳量为0.2%的碳钢。 用途：用于制造各种机器零件。如 ： 450以下的汽轮机转子、螺栓、齿轮、容器、中压锅炉管、高压锅炉水冷壁管等等。2.锻钢 锻钢： 是指将钢锭用锻造方法获得具有一定形状、尺寸和机械性能的钢。 特点：金相组织细密，机械性能提高。锻件形成纤维组织，各向异性，在纤维伸展方向抗拉强度较高。 部件：汽轮机大轴等3.铸钢 铸钢：直接由钢液浇铸而成的制

15、品，常称钢锭或铸钢件。 特点：可制成结构复杂的部件；由于C、Si、Mn元素含量较高，可焊性较差；铸态组织一般晶粒粗大，并有魏氏组织，塑性和韧性较低；铸件易变性和产生裂纹；铸钢一般通过热处理改善组织，消除应力，提高性能。 部件：400 以下的汽轮机转子、汽缸、隔板、阀门、齿轮、轴承、汽缸前后轴封等。 牌号：如：ZG200-400,ZG-铸钢，前一组数字200 表示屈服强度，单位MPa ，后一组数字400表示抗拉强度单位MPa。4.合金钢 合金钢：在碳钢的基础上为了改善钢的性能，在冶炼时特意加入一种或多种合金元素而炼成的钢。 常加入的合金元素：Si Mn Cr Mo V Ni Ti W等等。 牌号

16、：按钢的成分用数字和化学元素符号相结合的方法表示，最前面的数字表示平均含碳量，结构钢是万分之几，工具钢是千分之几；化学元素符号表示其所含的合金元素，符号后面的数字表示该元素的含量，当某一元素含量上限超过1.5%时，在元素后面标明其近似含量，小于1.5%时，则不标明含量,如20Cr3MoWV、9CrSi。高级优质钢在牌号尾部加符号A，如38CrMoAlA；对于特殊的高合金钢，编号方法基本上同工具钢，如2Cr13，含碳量0.2%，含铬量13%4.1合金钢分类 按化学成分分类：如锰钢、铬钢、硅钢、铬钼钢、铬镍钢等等。 按刚中合金元素总量分：低合金钢（小于5%） 、中合金钢（5%-10%） 、高合金钢

17、（大于10%） 按用途分：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能刚 按金相组织分：按退火组织分：亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢；按正火组织分：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢。5.耐热钢 耐热钢：在高温下能够保持化学稳定性，叫做热稳定性，在高温下具有足够强度的钢叫做热强钢。具有热稳定性及热强性的钢叫耐热钢。 特点：具有较高的强度和塑性、韧性配合；有较好的抗蠕变和持久断裂能力、抗氧化和抗介质腐蚀能力；冷热加工工艺性能优越。5.1耐热钢分类 珠光体耐热钢 马氏体耐热钢 铁素体耐热钢 奥氏体耐热钢5.2 珠光体耐热钢 珠光体耐热钢是以CrMo为基本元素的低合金钢。 特点：比普通碳素钢具有良好的

18、抗氧化能力和热强性，比高合金钢有较好的冷热加工性能。 用途：火电厂中锅炉、汽轮机、发电机及管道、螺栓等重要部件大多采用这类刚制造。 牌号：12CrMo 15CrMo 12Cr1MoV 15Cr1Mo1V 12Cr2MoWVTiB 10CrMo910(德国牌号) 25Cr2MoVA 20Cr1Mo1VTiB 5.3 马氏体耐热钢 马氏体耐热钢：在正火状态下得到马氏体组织的钢，合金元素含量较高，属于高合金钢。 特点：具有较好的组织稳定性、抗氧化性和热强性，线膨胀系数小、工艺性能好。 用途：火电厂高压锅炉联箱、主蒸汽管道、高温过热器管等重要部件大多采用这类刚制造。 牌号：1Cr13 2Cr13 X2

19、0CrMoWV 121钢(F11德国牌号) X20CrMoV 121钢 (F12德国牌号) P91 P92 (美国牌号，9Cr-1Mo钢) 5.4铁素体耐热钢 铁素体耐热钢：常温下组织形态为铁素体的钢。钢中加入了较多的铁素体形成元素，如Cr 、Si、 Al等。 特点：具有良好的耐腐蚀和耐热性能。 用途：火电厂中高温零部件，如过热器支架、喷嘴、热交换器部件等等。 牌号：1Cr13Si3 1Cr18Si2 1Cr25Si25.5奥氏体耐热钢 奥氏体耐热钢：常温下组织形态为单一奥氏体的钢。钢中加入了较多的合金元素，如Cr 、Ni、 Ti等，又称高合金奥氏体 钢。 特点：具有较高的热强性及优良的耐腐蚀

20、性，良好的综合性能，塑性、韧性及焊接性能较好，但价格较贵。 用途：火电厂中超高参数锅炉过热器管（ 550 以上）、过热器吊架等等。 牌号：1Cr18Ni9 1Cr19Ni9 0Cr18Ni11Ti6.电厂动力设备主要零部件用钢 锅炉设备：炉内管（水冷壁、省煤器、过热器、再热器） 、汽包、联箱、炉外管。 汽轮机设备：汽缸、转子（大轴、叶轮、叶片）、锭子、螺栓等。 选材原则：主要考虑工作温度、压力、内部介质、外部环境等因素，电站动力设备大多选用耐热钢。6.1锅炉管子、联箱用钢举例钢号用途举例20壁温450的导管、联箱；壁温500的受热面管子及省煤器等。20g壁温450的低中压锅炉管12CrMo壁温560的过热器管；温度550的蒸汽管道15CrMo壁温510的蒸汽导管、联箱等等。12Cr1MoV壁温580的受热面管子；温度540的联箱和导汽管锅炉管子、