电站用钢及失效分析

电站用钢及失效分析第一部分火力发电厂用钢第二部分火电厂用钢的分类第三部分火电厂用钢的牌号表示方法第四部分火电厂用钢的基本性能第五部分火电厂过热器、再热器金属材料高温氧化第六部分锅炉管子常见事故分析及预防第七部分失效案例第一部分：火力发电厂用钢

1、我国火电站用钢的现状及展望

锅炉部件的工作条件高温：450℃→

510℃→

540℃→

568℃→700℃（超超临界机组）高压：10MPa→(14～16)MPa(超高压)→(17～21)MPa(亚临界)→(24～27)MPa(超临界)→(30)MPa（超超临界机组）高温氧化、高温腐蚀、热循环、长期运行

火力发电厂用钢的发展与电站锅炉、燃气轮机等工业技术的进步密切相关。

电站用钢的开发需要很长的周期，建国以来我国电站高温高压管用钢材大多沿用国外成熟钢种,国内外实践证明12Cr1MoV、2.25Cr-Mo、TP304、TP347等钢工艺性能良好、运行可靠。但为了提高蒸汽温度和压力，20世纪60年代以后各国（也包括我国）纷纷致力于开发使用温度高于580℃低于650℃的钢种，其成果虽然已有不少应用，但都有些缺憾。1983年美国ORNL在花了8年时间对9Cr1Mo钢进行了改进后，推出的T91/P91钢具有优良的常温和610℃以下高温力学性能的同时，还具有良好的加工工艺性能。对材料的要求高的高温强度：拉伸、蠕变、持久强度、持久塑性、疲劳高的抗氧化腐蚀性高的组织稳定性良好的工艺性能：热、冷加工性能及焊接性能材料的种类

火电厂用主/再热蒸汽管道、高温联箱和高温过热器/再热器管材合金钢基本可分三大类(1)低合金耐热钢：（主要用于高温高压机组）12MoCr、15MoCr、10CrMo910（2.25Cr-1Mo）、12Cr1MoV、15Cr1Mo1V

(2)马氏体耐热钢：（9～12）％Cr系列（主要用于超临界、超超临界机组）

●9Cr1-Mo系列T91／P91T92/P92（NF616，日本）E911（COST“B”，欧洲）●12Cr系列X20CrMoV121（F12）第一代12Cr钢X20CrMoWV121（F11）12Cr1Mo1WVNb（HCM12）第二代12Cr钢HCM12A（T／P122）12Cr0.5Mo1.8WVNb(TB12)第三代12Cr钢11CrWVNbCoBN(NF12)11CrWCoVNbTaNdN(SAVE12)第四代12Cr钢(3)奥氏体耐热钢：Cr18-Ni8（主要用于超临界、超超临界锅炉）

TP304H、TP321H、TP316H、TP347H、TP347HFG、Super304H、HR3C（25Cr-20Ni-Nb-N）

马氏体新型耐热钢

马氏体耐热钢为（9～12）％Cr类钢，其发展过程见下图（9～12）％Cr类钢的发展过程马氏体耐热钢常用材料的牌号见下表。钢号及技术条件类似钢号X20CrMoV121（F12）HT9（SANDVIK）；X20CrMoWV121（DIN）1X12B2MΦ、2X12MΦBP（ГOCT）1Cr9Mo1T9、P9（ASME）；STBA26、STPA26(JIS)；X12CrMo91(德国)；HT7（SANDVIK）1Cr9Mo2（HCM9M）日本三菱重工和住友株式会社研制1Mn17Cr7Mo-VNbBZr（17-7MoV）（T91、P91）／10Cr9Mo1VNb（GB5310）X10CrMoVNb91（DIN17175）；TUZ10CDVNb09.01（NFA-49213）T92/P92（ASME、ASTM）NF616（日本）E911（COST“B”）欧洲HCM12A（T／P122日本三菱重工和住友株式会社研制

可以说T91/P91钢的开发成功是电站用钢领域内近30年努力的突破。我国于1987年开始引进使用这种钢，目前已经基本掌握了T91/P91钢的焊接工艺，同时也开展了T91与钢102、12Cr1MoV、TP304钢异种钢焊接的研究工作。用T91更换钢102制成的过热器和高温再热器运行的可靠度明显提高。用P91制成的蒸汽管其管壁厚度可成倍地减小，表1比较了在同样蒸汽参数下分别使用2.25CrMo钢和P91钢时钢管的壁厚。壁厚的减小降低了构件的重量，减小了结构应力和热应力，也减小了制造成本和施工难度。表12.25Cr-Mo、P91钢经济性比较

钢

种

550℃下的许用应力/MPa钢管尺寸/mm重量/kg.m-1

重量比率(%)价格率(%)成本率(%)2.25Cr-Mo48270×83.7730100100100P9194270×37.12813819072表2大口径钢管的经济性比较

钢

种

550℃下的许用应力/MPa钢管尺寸/mm重量/kg.m-1

重量比率(%)价格率(%)成本率(%)2.25Cr-Mo48270×83.7730100100100P2389270×39.4301301167167P92104270×33.141416868X2085270×41.5247247500500P122108270×31.83434170170随着T91/P91钢在世界范围内日益推广应用，沿着美国ORNL开发T91/P91钢的思路在原来钢102、2.25Cr-Mo、X20、TP304等钢的基础上又相继开发出了T122/P122(HCM12A),T92/P92(NF616)和T91/P91一系列钢种。使用P122、P92和P23钢的经济效益见表2。这些钢相对于2.25Cr-Mo和X20的明显优势是显然的。它们已在日本的一些电厂使用，我国也会在不久的将来陆续引进使用。

T/P91钢介绍9Cr－1Mo钢的发展历程T／P91钢的合金化特点•高的Cr量和少量Al的加入，大大的提高了钢的抗氧化能力和热稳定性；•高的合金元素含量（Cr、Mo、Mn）增加了固溶强化的能力；•少量N的加入，使钢的第二相增加，不仅有碳化物，还有氮化物等，增加了沉淀强化的能力；•强碳化物元素Nb的加入，在钢中形成复合碳化物Nb（C、N）；•低的P、S含量，使钢的晶界净化，提高了晶界强度。

推荐的T／P91钢管的热处理工艺ASTMA213－335法国Vallourec作用正火回火≥1040℃≥730℃1040℃～1090℃780℃±15℃≥1h大多数碳化物充分溶解而无晶粒长大细小的碳化物在马氏体结构中均匀沉淀T／P91钢的热处理及微观组织特点

下表为美国ASTM和法国Vallourec推荐的T／P91钢管的热处理工艺。回火马氏体结构＋大量细小的M23C6型碳化物沉淀相V(C、N)、Nb（C、N），大量的位错密度提高了钢的持久强度。T91／P91钢的力学性能

P91与有关钢材室温力学性能的比较P91钢焊接接头特性（a)冲击韧性：焊缝＜熔合线区＜热影响区。各国有关公司对P91钢的焊接接头的冲击性能要求见表各国有关公司对P91钢的焊接接头的冲击性能要求国别或公司抗拉强度Rm（MPa）冲击功Ak（J）美国ONRL（橡树岭国家试验室）600～64081～122美国ASME第3卷≥68日本神户钢铁公司585～760≥68欧洲BSEN599≥47德国DIN3252540～50德国曼内斯曼≥68法国瓦鲁瑞克≥68国家电力公司部门文件电源质［2002］100号《关于颁布“T91/P91钢焊接工艺导则”的通知》≥41（b)冲击韧性与硬度的关系（见表1）（c)硬度与断裂韧性的关系（焊缝）（见表2）表1冲击韧性与硬度的关系母材焊缝熔合线区热影响区HBAk（J）HBAk（J）HBAk（J）HBAk（J）21716420494911171991309212019018091852161662801818222143319172209810190表2焊缝硬度与断裂韧性的关系硬度HBδ0.05（mm）δ0.2（mm）δUmin（mm）δUp（mm）2040.1860.322——280——0.0150.02（d)提高焊缝韧性的措施·采取有效的充氩措施。·严格的预热措施。预热温度为150～200℃·严格控制线能量。小的线能量可有效地减少碳化物的析出量和铁素体含量，防止马氏体晶粒长大，提高焊缝的击韧性。·合理的布置垂直焊道与水平焊道。P91焊缝的冲击值也受到焊道类型的影响，线状焊道比棒状焊道的冲击值高T/P92钢介绍T／P92钢的合金化特点T/P92是在T91／P91钢的基础上，通过添加W，降低Mo含量以调整铁素体与奥氏体形成元素的平衡，辅之以B的微合金化，C含量的降低可提高组织稳定性，保证最佳的加工性能。T/P92钢的纳标——1995年列入ASTMA213、ASTMA335和ASMESA335——1996年列入ASMESA213和ASMESA335T／P92钢的热处理及微观组织特点下表为ASTM和V&M公司推荐的钢管热处理工艺。钢显微组织为回火马氏体。ASTMA213/ASTMA335V&M公司作用正火≥1040℃1040℃～1080℃可使大多数碳化物溶解而晶粒并不长大。回火≥730℃750℃～780℃（≥1h）使碳化物在马氏体中均匀析出,获得最佳的强韧性配合。推荐的T／P92钢管的热处理工艺

注：厚壁管必须加速冷却或淬火处理T／P92钢的力学性能

标准材料RP0.2RmδHBA213—A335P22≥205≥415≥30≤163T22≥220A213—A335T／P92≥440≥620≥20≤250A213—A312TP347H≥205≥515≥35≤192注：延伸率为标距2″的试样。T／P92钢与有关钢材室温力学性能的比较T／P92钢的力学性能

T／P92钢的屈服强度与温度的关系T／P92钢的抗拉强度与温度的关系P92钢焊接接头特性

P92钢焊接接头的拉伸、冲击性能

E911钢介绍E911钢的合金化特点钢中的主要元素除Cr外还有C、N、V和W。少量Nb元素（<0.1%）的加入有助于在1150℃以下正火获得细小的原奥氏体晶粒尺寸，从而提高韧性。但是Nb的加入又导致焊接接头的韧性降低。

E911钢的热处理及微观组织特点（a）热处理制度为1060℃～1100℃正火和760℃回火。由于对于E911钢制造的锅炉部件的去应力和焊后热处理温度通常约为750℃，所以没有考虑更低的温度回火。（b）微观组织特点回火马氏体组织很明显：马氏体板条和高的残余位错密度。金相观测表明，E911钢在1060℃正火和760℃回火处理之后形成的的回火马氏体组织处于亚稳态。在试验温度为600℃～650℃时，变化发生的非常缓慢。E911钢的力学性能

E911屈服强度的最小值和持久强度的平均值E911钢焊接接头特性目前已经确定了一种最佳焊缝金属成分，可使焊缝在初期具有与母材相当的韧性和高温强度。但是，随着试验时间的增加，在单轴试验里出现接头强度降低的现象，预测比母材的强度降低约30%，失效发生在热影响区的Ⅳ型区。然而，它远没有首次出现时那么重要，这是因为在锅炉制造和运行时，应力主要是周向分布的，其轴向应力约是周向应力的50%。如果设计主要考虑蠕变，一般避免采用纵向焊缝。E911钢焊缝金属的成分P122钢介绍P122钢合金化特点

P122钢可以用于大口径厚壁管。考虑到抗蚀性，与P91钢相比，此钢的Cr含量更高。P122钢卓越的持久强度是由于用W代替部分Mo并添加少量B。C是抑制δ-铁素体形成的有效元素，为提高可焊性降低了C含量。为保证大口径厚壁管的韧性，将Cr当量控制在9%以下来控制δ-铁素体的形成。通过添加Cu来降低Cr当量。对于小径管，为有效提高抗热蚀性增加了Cr含量，使钢中含有微量δ-铁素体。P122钢（HCM12A）介绍P122钢的热处理及微观组织特点（a）热处理特点住友金属公司生产的规格为Φ350×50mmP122无缝管材。热处理：正火1050℃/1h/空冷和770℃/3h回火。（b）微观组织特点在供货状态下，材料为回火马氏体，仅有少量的δ－铁素体。回火马氏体组织在经过蠕变作用后预期的变化为：位错密度降低以及亚晶长大

P122钢的力学性能

P122钢600℃时的许用应力值比T91高1.3倍。P122钢的冲击值随时效温度和时间的增加而降低。然而，这种钢在长期服役后仍具有足够高的冲击值。P122钢焊接特性P122钢的碳含量控制在0.14%以下，使其冷裂纹敏感性优于P91。P122钢的抗氧化和抗腐蚀性能形成的氧化皮分为两层，且氧化皮无剥落。P122钢的抗蒸汽氧化抗性能证明优于含9%Cr的HCM9M。奥氏体钢如TP347H和TP321H的氧化皮厚度比铁素体钢薄，但TP321H在服役3年后发生氧化皮剥落现象。P122钢蒸汽氧化皮厚度与服役时间的关系

高温过热器（再热器）等受热面管新型奥氏体耐热不锈钢

常用材料的牌号见下表钢号及技术条件类似钢号1Cr18Ni9（GB5310）SUS304TB、SUS304TP（JIS）；TP304H（ASME）Super304H1Cr19Ni11Nb（GB5310、GB13296）SUS347TB、SUS347TP（JIS）；TP347H（ASME）；08X18H12B（ГOCT）X10CrNiNb189（德国）TP347HFG0Cr17Ni12Mo2、TP316H（GB13296）SUS316TB、SUS316TP（JIS）；TP316H（ASME）0Cr18Ni11Ti（GB5310）SUS321TB、SUS321TP（JIS）；TP321H（ASME）；12X18H12T（ГOCT）HR3C常用材料的牌号

1SUPER304H

日本住友金属株式会社和三菱重工开发的钢种，目前已纳入日本MITI标准，美国ASMECodeCase2328已予确认。合金化特点在TP304H的基础上，通过降低Mn含量上限，加入约3％的Cu、0.45%Nb和一定量的N，使该钢在服役条件下产生微细弥散富铜相沉淀于奥氏体内，该富铜相与NbC、NbN、NbCrN和M23C6一起产生极佳的强化效应。SUPER304H力学性能特点拉伸性能高于常规的18－8不锈钢，而塑性与TP347H相当，许用应力较TP347H约高20％SUPER304H室温拉伸性能

SUPER304H力学性能特点

SUPER304H高温拉伸性能

SUPER304H抗氧化腐蚀性能650℃的抗蒸汽氧化性能大大优于TP304H和P347H；耐腐蚀性能优于TP304H，略逊于TP347H。SUPER304H焊接性能：热裂纹敏感性低于TP347H。

2HR3C（Cr25-Ni20系列）

日本住友金属开发到新钢种，美国ASMECodeCase2115已予确认。合金化特点：在600～750℃，固溶氮和微细的NbCrN氮化物沉淀改善钢的持久强度，溶于基体的固溶氮也有助于显微组织的稳定性；下表为HR3C钢的化学成分。

HR3C钢的化学成分CMnSiPSCrNiNbN0.05～0.070.91～1.220.25～0.500.003～0.0180.002～0.00524.05～25.7417.05～22.94≤0.580.036～0.345力学性能特点：拉伸性能、持久强度远高于常规的18－8不锈钢及SUPER304H，而塑性略低于常规的18－8不锈钢，且组织稳定性高。下表为室温下拉伸性能。室温下的拉伸性能抗氧化腐蚀性能：由于含有较高的Cr含量，HR3C钢的抗氧化性和高温抗腐蚀性要优于常规的18-8不锈钢。焊接性能：HR3C的可焊性与TP347H相近，两种填充材料（Inconel625、Inconel82）的TIG焊接头的性能相当好3、TP347FG

Sumitomo公司开发出了一种细晶粒TP347FG不锈钢管，作为18－8型不锈钢的最佳改良钢种，TP347FG比其它18-8型不锈钢更适合于作为蒸汽温度为565℃～620℃的超超临界末级过热器和末级再热器候选材料使用TP347HFG的标准化和化学成分TP347HFG钢的名义成分（wt%）CMnSiCrNiNb0.081.600.6018.010.00.80TP347HFG的研发背景和制造工艺TP347HFG（Fine-grain）是日本住友公司在TP347H基础上开发出来的。20世纪80年代，人们发现TP347H虽具有较好的抗高温腐蚀性能，但抗高温蒸汽腐蚀的性能还有待于提高。通过改进制造工艺，将软化处理温度提高到1250℃～1300℃，使得NbC这类MX型碳化物充分固溶析出，固溶处理温度基本保持不变，析出NbC既限制了晶粒长大，又提高了蠕变断裂强度。新工艺得到的晶粒细化到8级以上，从而具备更优良的抗高温蒸汽腐蚀性能，对提高过热器管的稳定性起到了重要的作用。TP347HFG主要性能介绍及强化方式TP347HFG保持了原347H较高的短时拉伸性能和抗高温氧化和高温蒸汽腐蚀。TP347HFG钢的化学成分和TP347H没有很大差别，但细晶强化效果明显，NbC固溶更加充分，细小弥散分布的MX型碳化物的强化效果，使得材料具有良好抗高温蠕变、疲劳的性能；晶粒细化后有利于Cr穿过晶界向表面扩散形成致密的Cr2O3保护层而防止被蒸汽氧化。下表为TP347HFG钢和粗晶TP347H钢的许用抗拉强度；TP347HFG主要性能介绍及强化方式TP347HFG钢和粗晶TP347H钢的许用抗拉强度2火电站用新型热强钢的基本特点及其焊接性

T91/P91、T92/P92、P23/T23、T122/P122都是属调质状态下使用的回火马氏体钢，TP304H、TP347H、SUPER304H、TP347HFG都属于奥氏体钢又都是在相同的思路下研制开发的，它们具有相似的基本特点。如果分别对应地比较T91/P91和T9、EM12；T23和钢102、2.25Cr-Mo以及P122和X20。可以得出T91/P91、T92/P92、P23/T23、T122/P122这些新钢种与其原来牌号的老钢种在成分上的差别仅在于：①C、S、P含量的减少；②Nb、V、N等元素作为微合金化而微量添加，但它们的强化机理和老钢种有原则的不同。而T91/P91、T92/P92等新钢种除了固溶和沉淀强化外，还通过微合金化、控轧、形变热处理及控冷获得高密度位错和高度细化的晶粒，为钢的进一步强化和显著的韧化作出了贡献。新钢种由于降低了碳和杂质元素的含量，对焊接裂纹的敏感性都明显降低，对P122钢的斜Y形拘束裂纹试验表明，200℃预热即可保证裂纹率为零。而相同Cr含量的X20钢的裂纹倾向要大的多。更由于采用这类钢后，可成倍减小构件壁厚，焊接获得完整无裂纹的接头的难度比钢102、T9、X20等也大为降低。尽管如此，接头性能的明显劣化却是焊接这类钢的主要困难。由这类钢的基本特点可以设想：①焊缝由于熔敷金属没有控轧和形变热处理的机会，晶粒不可能由此获得细化，又由于熔敷金属中的Nb、V在凝固冷却过程中难以呈微细的C、N化合物析出，焊缝的韧性会远不如母材。②供货状态优良的母材性能受到焊接的高温循环，母材HAZ性能必会明显劣化。③这种劣化的程度随焊接热输入的增大而加剧。对T91/P91钢焊接的实践已经证明了这些设想。

2.1焊缝金属韧性的劣化三菱重工在1985年焊接P91大口径厚壁管时所得的接头韧性，暴露了焊缝韧性低劣的现象，与此同时HAZ以及熔合区韧性低劣的现象远不如焊缝那样明显。我国的电站焊接工作者近年来对T91/P91钢的实践，证实了焊缝的韧性对热输入和层间温度极其敏感。采用大热输入、高的层间温度(60kJ/cm、250~350℃)时焊缝韧性仅为3.9~19.5J/cm2，降低线能量和层间温度(25kJ/cm和220~250℃)时焊缝韧性达到了73.2~113.6J/cm2。焊缝的韧性还与焊后热处理制度密切相关。此外熔敷金属的氧含量也影响它的韧性，实践证明TIG焊缝的韧性优于埋弧焊和手工电弧焊，而埋弧焊又优于手工电弧焊。我国焊接工作者采用小热输入TIG热丝全位置焊接P91厚壁管，取得了良好的焊缝韧性。尽管如此，焊缝的韧性仍比HAZ、熔合区低很多。P91钢是这样的，其他新型马氏体类热强钢也会表现出相似的规律。可见克服这种马氏体细晶强韧化钢材焊缝韧性的劣化倾向是焊接工作者需要突破的具有共性的技术问题。2.2HAZ蠕变断裂强度的劣化研究表明P91钢HAZ存在一个蠕变断裂强度劣化的区域，劣化从焊接热影响区的850℃，即AC1开始，925℃时劣化至最低值，然后逐步恢复，待热影响区温度超过1100℃以后才恢复到接近母材。可以推论，这一劣化区的宽度越大，对接头高温强度的影响也就越明显，因此控制850~1100℃热影响区的宽度是控制这一劣化影响的重要手段。显然这也需要通过控制焊接热输入和层间温度来实现。

2.3异种钢焊接接头的早期失效倾向实践证明铁素体热强钢与奥氏体钢组成的异种钢接头，存在着随机的低于平均寿命的早期失效现象。长期的研究工作已经认识了这种现象的机理和控制措施。但是对于以T91/P91为代表的新型马氏体类热强钢与奥氏体钢的异种钢接头是否还能服从这些规律，还需电站焊接工作者关注和研究。总之，研究和掌握上一世纪末出现的代表现代先进冶金技术的一系列新型热强钢的焊接和它们的高温运行行为是电站工作者面临的紧迫的任务

3

电站设备的延寿焊接

美国Philadelphia电力公司Eddestone厂1号机是1960年2月开始商业运行的首台蒸汽温度为650℃，压力为350大气压的超超临界机组，1983年经过检查评定更换其蠕变损伤严重的部分主蒸汽管后又恢复正常运行。这种根据以往的运行历史、对当前时刻可能发生失效的部件进行检测、分析、评定其剩余寿命，然后根据评定的结果更换寿命耗尽的部件，修复其损伤的部位，使机组处于正常运行状态的措施称之为延寿措施。采用这样的措施以后，机组寿命已往往不是由机组的技术状态决定，而是由其经济指标决定。多年以来我国的电站焊接工作者曾成功地修复过汽包、集箱、转子、汽缸等部件，为延寿焊接积累了经验。大容量机组的延寿措施其经济意义是显著的，但启动延寿措施也需要相当的投入，极有必要从同类机组的运行经验和科研成果中提取信息指导何时应对何部件实施延寿措施，并根据评估结果指导是否应对相应的部件进行修复焊接。例如：统计证明对于填充金属为奥氏体的铁素体/奥氏体异种钢接头，累计运行时间接近8万小时就会出现较高频度的失效，而填充金属为镍基合金的铁素体/奥氏体异种钢接头累计运行时间达15万小时才会出现较高的失效倾向。据此可以分别在7万和14万小时运行后对这些部件启用延寿措施，可能恰到好处。又如：某125机组低压转子安全运行13年以后，考虑到制作时残留的缺陷于1982年退役。经各方专家解剖计算，证明转子仍能安全运行、原缺陷未扩展，既使运用考虑了各种随机因素的可靠性方法计算，转子在继续26次启停循环后其可靠度才开始从100%下降。可见确定某机组某部件适时地启用延寿措施的时刻是很重要的。此外，在焊接接头损伤的评估中如何考虑焊接接头力学性能的宏观不均匀性；在运用焊接技术的同时如何合理地研究利用表面工程中的有关技术，作到不同部件、不同损伤在不同场合使用不同的工艺技术等，都是电站焊接工作者面对需要研究解决的问题。随着大容量老旧机组和调峰机组数量的增多，延寿工作的规模也将随之迅速增大。

第二部分火电厂用钢的分类1、按合金元素含量分类(a)低碳钢在此类钢中不含或很少含有其他合金元素，其碳含量一般不超过0.2％。(b)低合金耐热钢在此类钢中都含有一种或几种合金元素，但含量不高，一般钢中所含合金元素的总量不超过5％，碳含量不超过0.2％。(c)中合金耐热钢在此类钢中合金元素较多，合金元素含量一般在5～12％。(d)高合金耐热钢在此类钢中合金元素多，合金元素含量一般在10％以上，甚至高达30％以上。2、按钢的组织状态分类(a)珠光体型耐热钢在室温和使用温度条件下此类钢的组织主要为珠光体。低合金铬钼钢、铬钼钒钢、铬硅钢、铬镍钼钢是此类耐热钢的代表钢种，在蒸汽轮机和锅炉制造中应用很广泛，多用于热交换器管和高温高压容器等。这类钢热膨胀系数小，热导率大，工艺性能好，使用温度为450～620℃，合金元素含量一般小于5％。(b)马氏体型耐热钢在室温下组织为马氏体，一般含铬为7％～13％。在650℃左右具有良好的抗氧化性，在600℃以下具有较好的热强性，并有良好的减振性和导热性，在蒸汽轮机制造中广泛应用。但这类钢有较大的淬硬倾向，焊接性能也较差。(c)铁素体型耐热钢在室温和使用温度条件下此类钢的组织为铁素体。0Cr13、1Cr17、1Cr28等均属此类钢。由于此类钢具有优异的抗氧化性能及耐水溶液腐蚀性能，因此，在动力、石油化工等工业中得到极为广泛的应用。但这类钢的可焊性较差，强度较低，脆性较大，应用受到一定限制。(d)奥氏体型耐热钢在室温和使用温度条件下此类钢的组织为奥氏体。典型钢种为18－8型、25－20型铬镍耐热钢。此类钢在高温下具有较高的热强性和优异的抗气化性。一般制作用于600℃以上承受较高应力的部件，其抗氧化性温度可达550～1250℃。(e)沉淀硬化型耐热钢在室温和使用温度条件下此类钢的组织为马氏体或奥氏体。3、按钢的特性分类(a)抗氧化钢（或称耐热不起皮钢）此类钢在高温下（一般在550～1200℃）具有较好的抗氧化性能及抗高温腐蚀性能，并有一定的高温强度。用于制造各类加热炉用零件和热交换器，制造燃汽轮机的燃烧室、锅炉吊挂、加热炉炉底板和辊道以及炉管等。抗氧化性能是主要指标，部件本身不承受很大的应力。(b)热强钢在高温（通常在450～900℃）既能承受相当的附加应力又要具有优异的抗氧化、抗高温气体腐蚀能力，通常还要求承受周期性的可变应力。通常用作汽轮机、燃气轮机的转子和叶片，锅炉的过热器、高温下工作的螺栓和弹簧。内燃机的进排气阀等。

第三部分火电厂用钢的牌号表示方法

1、中国耐热钢的牌号表示方法根据我国钢铁产品牌号表示方法国家标准（GB／T221—2000）规定，产品牌号的命名采用汉语拼音字母、化学元素符号及阿拉伯数字相结合的方法表示。汉语拼音字母用于表示产品名称、用途、特性和工艺方法。(1)耐热钢与不锈钢的牌号表示方法相同，一般采用规定的合金元素符号和阿拉伯数字表示。通常在牌号的第一位用一位阿拉伯数字表示平均含碳量（以千分之几计）；当平均含碳量不小于1.00％时，采用两位阿拉伯数字表示；当含碳量上限小于0.l％时，以“0”表示含碳量；当含碳量上限不大于0.03％且大于0.01％时（超低碳），以“03”表示含碳量；当含碳量上限不大于0.01％时（极低碳）,以“01”表示含碳量。合金元素平均含量小于1.50％时，牌号中仅标明元素符号，一般不标明含量：合金元素平均含量为1.50％～2.49％、2．50％～3.49％…22.50％～23.49％…时，相应地写成2、3…23…。专门用途、工艺方法或易切削的耐热钢，在牌号前面冠以专用钢、专用工艺方法或易切削钢的符号。例如：2Crl3：表示平均含碳量为0.20％的平均含铬量为13％的铬耐热钢；OCr18Nil0Ti：表示含碳量低于0.10％但大于0.03％的平均含铬18％、含镍10％且含钛的低碳铬镍耐热钢；(2)碳素钢1）普通碳素钢：普通碳素钢分为甲类、乙类和特类钢甲类钢（A类）：按机械性能供货，不保证化学成份，编号方法分为7级A1、A2…..A7。乙类钢（B类）：按化学成份供货，不保证机械性能，编号方法分为7级B1、B2…..B7。特类钢（C类）：供货时既保证化学成份，又保证机械性能，编号方法分为7级C1、C2…..C7。2）优质碳素结构钢，优质碳素结构钢分为两种：第一种，含锰量比较低，一般小于0.8%，如10号、20号。第二种，含锰量比较高，如20Mn、65Mn等，含Mn量一般大于0.7%。（3）锅炉用钢钢号表示符号的特殊意义：标有小写的g表示锅炉用钢板，如20g，标有大写的G表示锅炉用无缝钢管，如20G，标有大写的R表示容器用钢板，如20R、16MnR。非电力部门使用的容器用钢，如12MnHP,HP表示焊接气瓶，16MnDR，DR表示低温容器。2、日本耐热钢的牌号表示方法日本耐热钢牌号常用JIS标准的牌号表示方法。这套表示方法不仅表示出钢类，而且表示出钢材种类，有的还表示出用途等。牌号中大多采用英文字母和阿拉伯数字，少部分采用假名拼音的罗马字。牌号的主体结构基本上由三部分组成：①牌号第一部分采用前缀字母，表示材料分类，例如“S”表示钢（“Steel”的首位字母）。②牌号第二部分采用英文字母或假名拼音的罗马字，表示用途、钢材种类及铸锻材制品等，例如：

U——特殊用途（Use）；W——线材、钢丝（Wire）；B——棒材（Bar）；C——铸件（Casting）；P——钢板（Plate）；F——锻件（Forging）。M－一钢管（Tube）。为了进一步区分，牌号的第二部分常采用几个字母组合表示。例如：SUH——耐热钢（“Steel”“Use”“HeatResisting”）SUHB——耐热钢棒（“Steel”“Use”“HeatResisting”“Bar”）；SUHP——耐热钢板（“Steel”“Use”“HeatResisting”“Plate”）；STF——加热炉用钢管（“Steel”“Tube”“FireHeater”）；SB——锅炉用轧制钢板（“Steel”“Boiler”）；SCH——耐热钢铸件（“Steel”“Casting”“HeatResisting”）；SCPH——高温高压用铸钢件SUSF——高温压力容器部件用不锈钢锻件③牌号第三部分为数字，表示钢的类别顺序号或强度等特性值。例如SUH3，SUH310，SUH660。④在牌号主体（包括第一、M、三部分）之后，根据需要，可附加表示钢材形状、制造方法及热处理状态的后缀符号。表示钢材产品形状和制造方法的符号，例如：

CP——冷轧钢板（“Pold”“Plate”）；CS——冷轧钢带（“Cold”“Strip”）；CB——冷加工钢棒（“Cold”“Bar”）；HP——热轧钢板（“Hot”“Plate”）；CP——热轧钢带（“Hot”“Strip”）。表示热处理的符号，例如：A——退火；N——正火；Q——淬火回火：S——固溶处理；SR——消除应力处理。高合金耐热钢牌号用前缀符号“SUH”加数字编号表示。数字编号为l～3位。l～2位数字编号为日本原有牌号的顺序编号，采用3位数字编号基本上参照美国AISI等的数字系列。耐热铸钢牌号用前缀符号“SCH”加数字编号表示。数字编号为l～2位。有的牌号在数字编号后还附加后缀字母“A”，表示质量等级或化学成分有差别。3、美国耐热钢的牌号表示方法美国的耐热钢主要采用AISI（美国钢铁学会）的牌号表示方法，耐热铸钢主要采用ACI（美国合金铸造学会）的牌号表示方法。美国材料与试验协会（ASTM）的标准基本上采用了AISI和ACI的耐热钢和耐热铸钢的牌号体系，只有少数为ASTM自己的牌号。由ASTM和SAE（美国机动车工程师协会）提出的UNS金属与合金牌号统一数字代号体系，统一了美国许多牌号体系，现已在许多标准中采用。（1）AISI规定的耐热钢牌号表示方法美国AISI规定的耐热钢牌号表示方法与不锈钢相同。牌号均由3位数字组成，第一位数字表示钢的类型，第二、三位数字表示牌号顺序号。编号系列为：2XX一一铬锰镍氮奥氏体型钢；3XX一一镍铬奥氏体型钢；4XX一一高铬马氏体型钢和低碳高铬铁素体型钢；5XX一一低铬马氏体型钢。

（2）SAE规定的耐热钢牌号表示方法美国SAE规定的耐热钢牌号表示方法与不锈钢相同。牌号采用五位数字表示，前三位数字表示钢的类型，后两位数字表示不同牌号顺序号。SAE牌号的后三位数字与AISI牌号的三位数字相同。编号系列为：302XX一一铬锰镍奥氏体型钢；303XX一一镍铬奥氏体型钢（变形钢）；514XX一一高铬马氏体和低碳高铬铁素体型钢（变形钢）；515XX－－低铬马氏体型钢（变形钢）；60XXX一一用于650℃以下的耐热钢（铸钢）；70XXX一一用于超过650℃的耐热铸钢。（3）ACI规定的耐热铸钢牌号表示方法美国ACI规定的耐热铸钢牌号表示方法与不锈耐蚀铸钢相同。一般采用两个字母表示，或在字母后加表示碳含量的数字及表示合金元素的字母。牌号的第一位字母一般为“C”或“H”。“C”表示在650℃以下使用的铸钢；“H”表示用于超过650℃使用的铸钢。第二个字母为A，B，C，D……，表示不同的含镍量（见下表）。字母镍含量范围%字母镍含量范围%字母镍含量范围%A＜1.0F9.0～12.0T33.0～37.0B＜2.0H11.0～14.0U37.0～41.0C＜4.0I11.0～18.0W58.0～62.0D4.0～7.0K18.0～22.0X64.0～68.0E8.0～11.0N23.0～27.0

（4）美国材料试验协会（ASTM）标准钢号表示方法：不直接表示处分和用途，一般在首部冠以字母A，接着是表示序号的数字和年号的数字，这两个数字间用短线分开，表示实验性钢号；如果再标以a、b、c等，则表示修改的次数，前面这些仅是表示钢号标准号，在其后再表明具体钢号。1）例如A387-79bGr22c1.2，含义为A表示铁基，387-序号，79-1979年，b-第二次修改，Gr-钢的类别，22-类别号，C1-等级，2-等级号。这个钢号的前半部分A387-79b表示压力容器用铬钼合金钢，后半部分为具体钢号，Gr22仅为其中的一个钢号，2表示供货状态为正火+回火。2）A213-76aTP304H，其中A213-76a为铁素体和奥氏体钢标准号，用于锅炉过热器和热交换器合金钢，TP304H为钢号，TP表示类别，304为序号，H表示过热器和热交换器受热面钢管，通常将A213-76aTP304H简单写为A213-TP304H，或简写为TP304H。（5）美国机械工程师协会（ASME）标准：钢号的表示方法基本上与ASTM相同，仅在ASME钢号前加一个S。例如SA213-76aTP304H等（4）UNS体系耐热钢牌号表示方法UNS体系牌号系列，基本上是在美国各团体标准原有牌号系列的基础上调整和统一编制出来的。它的牌号系列都采用一个代表钢或合金类别的前缀字母和五位数字组成。耐热钢和不锈钢放在一个大类内，牌号系列代号为SXXXXX。前三位数字的编号系列基本采用AISI的牌号，最后两位数字主要用来区分同一组钢中主要成分相同而个别成分有差别或含特殊元素的钢种。

4俄罗斯耐热钢的牌号表示方法俄罗斯现在仍沿用原苏联ГОСТ标准的牌号表示方法。ГОСТ标准中钢铁产品的牌号表示方法基本上与我国的钢铁产品牌号表示方法相似，但俄罗斯钢铁牌号中的化学元素名称及用途、特性等均采用俄文字母表示。俄罗斯钢铁牌号中表示合金元素及用途、特性等用的俄文字母

在工作中，若遇到不明钢号，可查阅有关资料，如《世界各国钢号手册》、《世界钢号大全》等。第四部分火电厂用钢的基本性能1、主要合金元素在耐热钢中的作用耐热钢中常见的合金元素有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、钨（W）、钴（Co）、铜（Cu）、铁（Fe）、铌（Nb）、钽（Ta）、钒（V）、铝（AI）、钛（Ti）、硼（B）、氮（N）、稀土（RE）或镧（La）、铈（Ce）等。磷和硫一般为有害的杂质元素。铬、铝、硅和稀土元素能提高耐热钢的抗氧化性能。铬、钼、钨、钒、钛、铌、钴、硼、稀土等能提高或改善耐热钢的热强性。铁为耐热钢的基体元素。镍和锰的作用主要是获得奥氏体组织。下面分别介绍一下主要合金元素在耐热钢中的作用。

1.1铬Cr铬是耐热钢中抗高温氧化和抗高温腐蚀的主要元素，并能提高耐热钢的热强性。钢中含铬量足够高时，能在其表面形成一层致密的Cr2O3膜，这种氧化膜在一定程度上能阻止氧、硫、氮等腐蚀性气体向钢中扩散，也能阻碍金属离子向外扩散，在一定的温度范围内还能形成一层保护性良好的尖晶石型的复合氧化膜，如含镍、铬的耐热钢在其表面上形成一层NiO﹒Cr2O3复合氧化膜，增强了钢的抗高温氧化能力。耐热钢的抗高温腐蚀性能与其含铬量有一定的关系。当钢含铬约达12％时，钢的抗高温氧化能力有明显提高，当铬含量达22％时，在1000℃下其抗高温氧化的性能是极为良好的，此时在其表面上形成一层连续而又致密的氧化膜。

1.2钼Mo钼为难熔金属，熔点高（2625℃）。钼固溶到基体金属中能提高固溶体的再结晶温度。钼是缩小γ—Fe相区、扩大α—Fe相区的合金元素，又是强碳化物形成元素。对提高耐热钼的热强性有较好的作用。钼在铁中可显著地抑制铁的自扩散，提高固溶体的再结晶温度。在含钼的低合金耐热钢中，钼的作用是强化固溶体及形成性质优异的细小的碳化物相。常见的铬钼低合金钢（如Cr1Mo钢）就是典型代表。钼在高合金奥氏体钢中的主要作用是形成时效强化相。

1.3钒V钒为难熔金属，熔点高（1910℃）。钒是缩小γ—Fe相区、扩大α—Fe相区的合金元素，是强碳化物形成元素。对提高耐热钢的热强性有较好的作用。钒在耐热钢中的作用与钼和钨类似，但与它们不同的是钒不能强化固溶体，也不能提高固溶体的再结晶温度。钒在铁素体和奥氏体耐热钢中之所以能提高其热强性都是通过形成细小均匀分布的碳化物而起作用的，因为钒的碳化物是一种十分稳定的碳化物。钒是提高铁素体型耐热钢的热强性的有效元素，钒也在奥氏体型耐热钢中获得应用，但钒含量一般在0.3％～0.5％之间。

1.4镍Ni镍是耐热钢中的重要合金元素之一。为了使钢在室温下获得纯奥氏体组织，其中镍含量不能低于25％。但当钢中含有其他合金元素时，为获得纯奥氏体组织，镍含量可适当减少。例如，当钢中含碳量为0.1％含铬量为18％时，为了获得钢的纯奥氏体组织，含镍量为8％即可，这就是典型的18—8型奥氏体耐热不锈钢。当钢中含有其他铁素体形成元素时，为获得纯奥氏体组织，含镍量就要增加，如不增加镍含量，或降低镍含量，就会出γ+α双相组织，或出现不稳定的奥氏体组织，冷加工时可能产生相变（奥氏体组织转变为马氏体组织）。

1.5钨W钨为难熔金属，熔点高（3380℃）。钨固溶到基体金属中提高固溶体的再结晶温度。钨是缩小γ—Fe相区、扩大α—Fe相区的合金元素，是强碳化物形成元素。对提高耐热钢的热强性有较好的作用。在珠光体型耐热钢中，加钨可提高固溶体的热强性。在铁素体型耐热钢中加钨有两个目的：在12％Cr钢中加钨一是强化α相固溶体，提高固溶体的再结晶温度，阻碍扩散；另一方面是产生弥散强化，或者以复杂的碳化物形式出现，或者以富钨的金属间化合物形式出现。钨的作用在高合金奥氏体耐热钢中的作用尤为明显。

1.6钛Ti钛是强α—Fe形成元素，在Fe—Ti二元合金中，钛在γ—Fe中的溶解度只有0.65％，但是钛与Fe能形成一系列的金属间化合物，同时钛又是强碳化物形成元素之一。因此，含钛的耐热钢主要是靠其形成极细小而又弥散分布的碳化物和金属间化合物来起作用的。所以，耐热钢中的含钛量均不太多。到目前为止，钛在低合金耐热钢中的应用并不多。钛是18—8型镍铬奥氏体耐热钢中的主要稳定化元素，其目的是防止晶间腐蚀。在某些沉淀硬化型奥氏体耐热钢（或铁基合金）中，钛与镍等能形成金属间化合物（如Ni3Ti），以达到提高热强性的目的。

1.7铌Nb铌是缩小γ—Fe相区的合金元素，在α—Fe中有一定的溶解度。在铁基合金中含0.5％Nb就足以取得弥散强化的效果。铌也是强碳化物形成元素，铌的碳化物在高温下十分稳定，只比钛的碳化物略为逊色。由于铌具有良好的热强性，因此，铌在低合金耐热钢和高合金耐热钢中都获得了广泛的应用。含铌的多元合金化的珠光体低合金耐热钢在蒸汽发电机中的使用温度可达550℃。铌在含铬为12％的耐热钢中获得应用，提高了钢的热强性。在高合金耐热钢中铌的碳化物析出对提高其热强性占有重要的地位，因此钢中的合碳量与含铌量存在着一定的比例关系。含铌的低碳（0.04％～0.07％）奥氏体耐热钢中的铌含量应为10×％C。因此，高合金耐热钢中的铌含量一般为1％～2％。

1.8硼B硼与氮和氧都有很强的亲和力。钢中微量硼（0.001％）就可以成倍地提高其淬透性。硼吸附在奥氏体晶界上，降低了晶间的能量，阻抑铁素体晶核的形成，因而延长了先共析铁素体和上贝氏体转变的孕育期。硼只有以固溶形式存在于钢中才能起到有效作用。当硼与钢中残留的氮、氧化合形成稳定的夹杂物时，反而对钢的性能有不利的作用。在珠光体耐热钢中，微量硼可以提高钢的高温强度；在奥氏体耐热钢中加入0.025％B可以提高其抗蠕变性能，但硼含量较高时，其作用相反。加入硼强化晶界对增强耐热钢的持久强度十分重要。硼原于主要分布在晶界上，因此硼对强化晶界起着重要的作用。

1.9碳C碳是钢中不可缺少的元素。碳在钢中既扩大γ相区，又是高强度的碳化物的组成元素。碳在钢中的强化作用与它所形成的碳化物的成分和结构有着密切的关系，其强化作用也与温度有关。随着温度的升高，由于碳化物的聚集，强化作用有所下降。钢中碳含量增加，会降低钢的塑性和可焊性。因此，除强度要求较高的钢种外，一般奥氏体型耐热钢中的碳含量都控制在较低的范围内。2金属材料的机械性能金属材料的机械性能又称力学性能，是材料在力的作用下所表现出来的性能。力学性能对金属材料的使用性能和工艺性能有着非常重要的影响。金属材料的主要力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。2.1、强度与塑性金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验测定出来的。拉伸试验是在拉伸试验机上进行的。试验之前，先将被测金属材料制成图1—1所示的标准试样(参见GB6397---86《金属拉伸试样》)，图中do为试样直径，lo为测定塑性用的标距长度。试验时，在试样两端缓慢地施加轴向拉伸载荷，使试样承受轴向静拉力。随着载荷不断增加，试样被逐步拉长，直到拉断。在拉伸过程中，试验机将自动记录每一瞬间的载荷F和伸长量△l，并绘出拉伸曲线。拉伸实验由图可见:在开始的Oe阶段，载荷F与伸长量△l为线性关系，并且，去除载荷，试样将恢复到原始长度。在此阶段试样的变形称为弹性变形。载荷超过F。之后，试样除发生弹性变形外还将发生塑性变形。当载荷增大到Fe之后，拉伸图上出现了水平线段，这表示载荷虽未增加，但试样继续发生塑性变形而伸长，这种现象称为“屈服”，s点称为屈服点。当载荷超过Fb以后，试样上某部分开始变细，出现了‘‘缩颈”，由于其截面缩小，使继续变形所需载荷下降。

载荷到达Fk时，试样在缩颈处断裂。2.1.1强度

强度是金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。强度有多种判据，工程上以屈服点和抗拉强度最为常用。(1)屈服点它是指拉伸试样产生屈服现象时的应力。它可按下式计算：Fs——试样发生屈服时所承受的最大载荷，N；Ao——试样原始截面积，mm2。(2)抗拉强度指金属材料在拉断前所能承受的最大应力，以δb表示。它可按下式计算：Fb——试样在拉断前所承受的最大载荷，N；Ao——试样原始截面积，mm2。2.1.2塑性

塑性是指金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力，通常以伸长率来表示：δ=L1-loloX100%lo——试样原始标距长度，mm；L1——试样拉断后的标距长度，mm。必须指出，伸长率的数值与试样尺寸有关，因而试验时应对所选定的试样尺寸作出规定，以便进行比较如lo=10do时，用δ10或δ表示；lo=5do时，用δ5表示。金属材料的塑性也可用断面收缩率Ψ表示：Ψ=A0-A1A0X100%Ao——试样的原始截面积，mm2；A1——试样拉断后，断口处截面积，mm2。δ和Ψ值愈大，材料的塑性愈好。良好的塑性不仅是金属材料进行轧制、锻造、冲压、焊接的必要条件，而且在使用时万一超载，由于产生塑性变形，能够避免突然断裂。2.2、硬度

金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力，称为硬度。硬度是衡量金属软硬的判据。硬度直接影响到材料的耐磨性及切削加工性，因为机械制造中的刃具、量具、模具及工件的耐磨表面都应具有足够高的硬度，才能保证其使用性能和寿命。若所加工的金属坯料的硬度过高时，则给切削加工带来困难。显然，硬度也是重要的力学性能指标，应用十分广泛。金属材料的硬度是在硬度计上测定的。常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法，有时还采用维氏硬度法。2.2.1．布氏硬度(HB)布氏硬度的测试原理如图1—3所示。以直径为D的淬火钢球或硬质合金球为压头，在载荷F的静压力下，将压头压人被测材料的表面(图1—3a)；停留若干秒后，卸去载荷(图1—3b)。然后，采用带刻度的专用放大镜测出压痕直径d，并依据d的数值从专门的硬度表格中查出相应的HB值。

布氏硬度计的压头直径有声Φ10mm、Φ5mm、Φ2.5mm三种，而载荷有30000N、7500N、1870N等数种，供不同材料和不同厚度试样测试时选用。其中常用的压头直径Φ10mm，载荷为30000N。布氏硬度(HB)试验布氏硬度法因压痕面积较大、其硬度值比较稳定，故测试数据重复性好，准确度较洛氏硬度法高。缺点是测量费时，且因压痕较大，不适于成品检验。由于测试过硬的材料可导致钢球的变形，因此布氏硬度通常用于HB值小于450的材料，如灰铸铁、非铁合金及较软的钢材。必须看到，新型布氏硬度计设计有硬质合金球压头，从而可用于测试淬火钢等较硬金属的硬度，使布氏硬度法的适用范围扩大。

为了区别不同压头测出的硬度值，将钢球压头测出的硬度值标以符号HBS，而将硬质合金球压头测出的硬度值标以HBW。2.2.2．洛氏硬度(HR)

洛氏硬度的测试原理是以顶角为120°金刚石圆锥体(或Φ1.588mm淬火钢球)为压头，在规定的载荷下，垂直地压人被测金属表面，卸载后依据压人深度九，由刻度盘上的指针直接指示出HR值(图1—4)。为使洛氏硬度计能够测试从软到硬各种材料的硬度，其压头及载荷可以变更，而刻度盘上也有三个不同的硬度标尺。表1—1列出了各个硬度标尺的压头、总载荷及其适用材料。其中，HRC在生产中应用最广。标尺压头总载荷/N适用测试教材有效植HRA120°金刚石圆锥体600硬质合金、表面淬火钢70～85HRBΦ1.588mm淬火钢球1000退火钢、非铁合金25～100HRC120°金刚石圆锥体1500一般淬火件20～67表1-1洛氏硬度的测试范围洛氏硬度(HR)试验2.3、韧性

金属材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。韧性的常用指标为冲击韧度。冲击韧度通常采用摆锤式冲击试验机测定。测定时，一般是将带缺口的标准冲击试样(参见GB／T229—94)放在试验机上，然后用摆锤将其一次冲断，并以试样缺口处单位截面积上所吸收的冲击功表示其冲击韧度，即ak=AkA（J/cm2）ak——冲击韧度(冲击值)；Ak——冲断试样所消耗的冲击功，J；A——试样缺口处的截面积，cm2

。

2.4、疲劳强度

机械上的许多零件，如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等是在周期性或非周期性动载荷(称为疲劳载荷)的作用下工作的。这些承受疲劳载荷的零件发生断裂时，其应力往往大大低于该材料的强度极限，这种断裂称作疲劳断。金属材料所承受的疲劳应力(σ)与其断裂前的应力循环次数(N)，具有图1—5所示的疲劳曲线关系。当应力下降到某值之后，疲劳曲线成为水平线，这表示该材料可经受无数次应力循环而仍不发生疲劳断裂，这个应力值称为疲劳极限或疲劳强度，亦即金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力。当应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号σ-1表示。

产生疲劳断裂的原因，一般认为是由于材料含有杂质、表面划痕及其它能引起应力集中的缺陷，导致产生微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件有效截面逐步缩减，直至不能承受所加载荷而突然断裂。为了提高零件的疲劳强度，除应改善其结构形状、减少应力集中外，还可采取表面强化的方法，如提高零件的表面质量、喷丸处理、表面热处理等。同时，应控制材料的内部质量，避免气孔、夹杂等缺陷。3.金属材料的物理、化学及工艺性能3.1、物理性能金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。由于机器零件的用途不同，对其物理性能的要求也有所不同。例如，飞机零件常选用密度小的铝、镁、钛合金来制造；设计电机、电器零件时，常要考虑金属材料的导电性等。金属材料的物理性能有时对加工工艺也有一定的影响。例如，高速钢的导热性较差，锻造时应采用低的速度来加热升温，否则容易产生裂纹；而材料的导热性对切削刀具的温升有重大影响。又如，锡基轴承合金、铸铁和铸钢的熔点不同，故所选的熔炼设备、铸型材料等均有很大的不同。3.2、化学性能金属材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。对于在腐蚀介质中或在高温下工作的机器零件，由于比在空气中或室温时的腐蚀更为强烈，故在设计这类零件时应特别注意金属材料的化学性能，并采用化学稳定性良好的合金。如化工设备、医疗用具等常采用不锈钢来制造，而内燃机排气阀和电站设备的一些零件则常选用耐热钢来制造。3.3、工艺性能工艺性能是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映，是指是否易于进行冷、热加工的性能。按工艺方法的不同，可分为铸造性、可锻性、焊接性和切削加工性等。在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑金属材料的工艺性能。例如，灰铸铁的铸造性能优良，是其广泛用来制造铸件的重要原因，但它的可锻性极差，不能进行锻造，其焊接性也较差。又如，低碳钢的焊接性优良，而高碳钢则很差，因此焊接结构广泛采用低碳钢。4.金属材料在高温下的机械性能

火力发电厂热力设备在高温、应力下长期工作，金属的性能与室温性能差别很大，主要是因为金属内部的组织要发生显著的变化，比如我们后面要讲到的珠光体球化、石墨化、合金中碳化物的数量和结构发生的变化等等。因而金属在高温下工作，其机械性能的变化与温度值、温度变化幅度、温度变化率和高温下工作时间的长短均有关系。

室温下，金属受外力作用，如零件不是立即损坏，那么基本上不会因时间的延长而损坏（某些金属除外），即强度与承载时间没有关系；但在高温下，工作情况就不同，零件在加载的时候不一定损坏，但随着时间的延长，即使载荷值不变，零件也能损坏，即强度与承载时间有关系。例如，退火状态的45号钢在5000C时瞬间强度为b=400MN/㎡，而加应力为300MN/㎡，经过20min左右会断裂。所以金属在高温下工作不能以瞬间强度作为性能指标。

金属在高温下的机械性能主要包括以下几个方面：（1）、蠕变—金属在一定的温度和应力作用下，随着时间增加发生缓慢的塑性变形现象。（2）、持久强度—金属在高温和应力长期作用下抵抗断裂的能力，它是指在一定温度和规定持续时间内引起断裂的最大应力值。热力设备一般是指在一定高温值下工作105小时产生断裂的应力值，即为该温度时的持久强度，以符号10T表示，其中T表示温度。（3）、应力松弛—零部件在高温和应力长期作用下，虽总的变形量不变，但应力随着时间的增加逐渐下降的现象。（4）、热疲劳—金属受热的时候，如果膨胀受阻，出现温度梯度，或者材料本身不均匀会产生热应力。如金属零部件的温度梯度出现周期性改变（例如，汽轮机启动的时候转子表面温度高于心部温度，在停机时转子表面温度低于心部温度），热应力也将产生周期性变化。金属材料经受周期性热应力作用而遭到的破坏称为“热疲劳”破坏。（5）、热脆性—指钢在400~5000C长期受热后会出现冲击韧性明显下降的现象。

（6）、低温脆性—低碳钢和高强度合金钢在某些工作温度下有较高的冲击韧性，当当温度下降到某一温度后，其冲击韧性k和断裂韧性KIC值显著降低而造成材料的脆化现象。该温度称低温脆性转变温度FATT。低温脆性转变温度随材料成分、冶金质量、零件表面质量、热处理不同而不同。FATT不是不变的，金属在高温工作过程中有逐渐升高的现象。Cr-Mo-V钢（大型汽轮机转子钢材）的FATT为80~1200C左右，由于其高于室温，如果汽轮机运行不当，有可能产生转子脆断事故。国外有些电厂以FATT作为划分冷态和热态启动的界线。我国的哈尔滨气轮机厂引进美国西屋公司技术生产的600MW机组汽轮机转子和北伦港电厂从法国引进的600MW汽轮机转子出厂前的超速试验要求在热箱内进行，其原因之一就是转子心部温度要超过FATT后才允许做超速试验。由于FATT随着运行时间有升高现象，所以大型机组在电厂进行超速试验前要求经过一段时间低负荷暖机后，迅速卸负荷，解列后进行，起目的也是要求转子心部温度超过FATT后才进行超速试验。国产N200汽轮机规定，超速前带20MW负荷运行3~4小时，使高、中级转子加热到3500C以上后，迅速卸负荷，解列后迅速进行超速试验。随着机组单机容量的提高，转子强度裕度减小，国外对汽轮机低温脆性断裂问题到50年代才暴露出来。当时美国有5台100~200MW汽轮发电机组转子相继出现断轴事故后才对FATT引起重视。到1974年美国加拉丁电站2号机超速试验时还出现低温脆性断裂事故。因此对转子的低温脆性应引起足够重视。

4.1金属材料的稳定性

火力发电厂热力设备在高温和某些介质中工作，将引起金属发生组织的不稳定和化学性能的不稳定两方面的变化，导致零件破坏，这种损坏是缓慢进行的。

4.2化学稳定性这里所述的化学稳定性主要包括以下几个方面：（1）、钢在高温下的氧化；（2）、钢的氢腐蚀或蒸汽腐蚀；（3）、钢的烟气低温腐蚀；（4）、钢的应力腐蚀；（5）、钢的腐蚀疲劳。4.3火电厂用钢的组织稳定性电站锅炉、汽轮机用耐热钢在长期高温和应力作用下工作，引起金属内部组织不稳定，导致强度下降、蠕变极限和持久强度下降、塑性降低引起脆性破坏，这些组织的稳定性主要表现在以下几个方面：（1）珠光体组织发生球化和碳化物聚集；（2）

碳化物结构石墨化；（3）合金元素在固溶体和碳化物之间进行重新分配；（4）发生时效使组织中产生新相。

第五部分火电厂过热器、再热器金属材料高温氧化电站锅炉“四管”爆漏停用事故，一直是影响火电机组安全、可靠、经济运行的主要因素之一。统计结果表明“四管”爆漏停用事故：….占机组非计划停用时间40%左右；….少发电量占全部事故少发电量50%以上；….其中因过热器原因引起的爆漏事故占30%左右，而且随着机组容量和参数提高以及运行时间增加有上升的趋势，成为影响发电机组安全经济运行的主要因素。作为高温高压的承压部件的过热器和再热器，通常对其外壁高温腐蚀关注的比较多，今年来随着电力事业的快速发展，亚临界、超临界机组运行时间增长，尽管过热器、再热器选用的钢从12Cr1MoV、G102发展到T22、T91和奥氏体不锈钢TP304H、TP347H等，但由于恶劣的服役条件造成管材内壁的严重的水蒸气腐蚀而引发锅炉爆管失效以及过热器、再热器管壁剥离下来的氧化皮造成固体颗粒侵蚀的事故日益突出，经济损失严重。

1、过热器、再热器管高温水蒸汽氧化机理锅炉过热器和再热器的氧化层剥离问题，早在上世纪50年代末，就在国外的一些锅炉上发现，引起了许多过热器和再热器管的堵塞和主汽门的卡塞以及汽轮机的固体颗粒侵蚀问题。美国Edison公司在1965年调查了248台机组，发现其中214台存在这问题(占85%)，其中较为严重的有135台。研究发现，这问题大多在机组投运数年后才开始出现。国外把它作为重点问题组织进行研究，并在1974年的美国动力会议上发表了专论。后来在1981年的英国材料性能杂志上以及1983年的美国动力会议上发表了此专题的论文和一些解决措施的报道。由于目前对水蒸汽作用的机理认识还未完全统一，它也是1994年国际高温腐蚀专家论坛讨论的第一主题。

1.1金属的水蒸汽高温氧化原理

金属在高温水蒸汽中会发生严重的氧化。在温度大于450℃下，金属铁与水蒸汽反应，生成铁氧化物。3Fe＋4H2O＝Fe3O4＋4H2（1）与铁发生氧化的氧来源于H2O，H2O与O2和H2存在如下平衡关系：H2O＝H2＋1／2O2（2）因此，水蒸汽的氧化性强弱取决于的比值，在600℃下，与FeO平衡的值约为7左右，对应的平衡氧分压＝10-26atm左右。在锅炉实际工况下，水蒸汽的流量很大，生产的氢很少，而且氢会随着水蒸汽跑掉，因此要远远低于7的数值，促使反应向右进行，导致铁的氧化。从热力学角度分析，铁的高温水蒸汽氧化是自然过程，不可避免。

图1为在氧化膜中的保持不变的情况下，O2和H2在氧化膜中的梯度分布情况。图10为存在质子传输的氧化膜生长的示意图。可以看到，在某些条件下，金属/氧化膜界面处可能产生很高的氢压，金属中也会有较高的氢含量,从而引发氧化膜剥落。这可以解释为什么干条件下氧化所生成的氧化膜粘附力较高，而在水蒸汽条件下就很容易发生氧化膜的剥落。这也可以解释一些研究结果，许多在高温干燥氧化性气氛能够生长Cr2O3保护膜的铁基合金，在水蒸汽氧化条件下其保护膜难以生长或不能保持稳定。

对于常用的奥氏体TP347H钢，实践发现600℃左右的某一温度下水蒸汽氧化速度出现急剧增大，其机理依据Fuji等提出的水分解机理时有如下解释：在高温（600℃）水蒸汽氧化首先是氧化膜表面吸附态的水蒸汽分子与来自内外层氧化界面的Fe离子反应，生成氧化亚铁和吸附态的氢。吸附的水蒸汽也可分解得到O2-和H+。铁离子空位、电子空穴以及溶入氧化物中的氢穿过外氧化物层，在内氧化物/外氧化物界面聚集形成孔洞，并发生逆反应，生成的氢气和水蒸汽存留在孔洞中。在600℃下，Fe-Cr耐热合金表面存在Fe3O4和（Fe，Cr）3O4两层结构。分解得到H+以比O2-快得多的速度渗入，（Fe，Cr）3O4+8H+=Fe3=+Fe2++Cr3++4H2O

2Fe3=+Fe2++4O2-=Fe3O4

与铁离子相比，Cr3+的扩散速度慢得多，在基体/氧化膜界面形成富集。另一方面，扩散进入基体/氧化膜界面的水发生分解，氧和氢离子扩散进入基体内部，铁以晶内扩散方式向外层氧化膜/内层氧化膜界面扩散，并在界面附近氧化，形成铁铬氧化物。当外层氧化膜生长至一定厚度时发生剥落，然后重复上述过程。在这里，主要是水分解的氢促进了高温水蒸汽环境中金属内氧化物的形成。由于孔洞的大小不均匀，因此得到不规则的内氧化物。有研究表明，合金钢的水蒸汽氧化，有如下的反应2Cr+3H2O=Cr2O3+6H3H2O+2Fe=Fe2O3+3H2

3H2+Cr2O3=2Cr+3H2OFe2O3+4Cr+5H2O=2FeCr2O4+5H2因此，一旦初始氧化形成的Cr2O3膜出现允许水渗透的微裂纹、微通道等缺陷，钢的氧化反应将是自催化的。1.2金属高温水蒸汽氧化膜的结构1.2.1铁素体钢高温水蒸汽氧化膜的结构高温水蒸汽与铁素体钢氧化形成的氧化膜见图3及图4。氧化层内层称为原生膜(Topotactisheschicht)，外层称为延伸膜(Epitaktisheschicht)，是由于铁离子向外扩散，水的氧离子向里扩散而形成的。内层的原生膜是水的氧离子对铁直接氧化的结果。其氧化铁结构由钢表面起向外依次为Fe3O4，Fe3O4或Fe3O4，Fe2O3。内层为尖晶型细颗粒结构，氧化层外层为棒状型粗颗粒结