第五章 电厂金属材料

•
或
•蠕变极限就相应写成 110 或
-5
110
t 。有时也以 10
-4
-5
t 或 10
-4
表示在温度t时的蠕变极限，单位是MPa。
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• 另一种方法是以一定的工作温度下，规定的工作时间内，钢材发生一定的 总变形量时的应力值来表示。热力设备零部件用钢中规定工作时间为h(约 12a)，总变形量1％蠕变极限就写成 。有时也以 t －5 表示 t 5 110 1 10 在温度t时的蠕变极限。
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(三)蠕变强度
• • 工程上用蠕变极限作为蠕变抗力的技术指标。 蠕变强度通常有两种表示方法。一种方法是以一定的工作温度下引起规定的 第二阶段蠕变速度的应力值来表示。 热力设备零部件用钢中规定的蠕变速度，一般是
V 1 10 4 % h V 1 10 5 % h
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第一节
一、高温对钢材强度的影响
耐热钢的高温性能
• 钢材的工作温度超过某一温度后，钢的抗拉强度Rm要降低；钢材在高温下使 用的时间越长，其强度极限也会越低。
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• 机械性能温度和实践的关系，可用强度极限与温度的关系曲线表示，如图5-1所示。
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一、腐蚀的原理 金属的腐蚀，按照腐蚀的原理可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 (一)化学腐蚀 金属直接与介质发生氧化或还原反应而引起的腐蚀损坏，称为化学腐蚀。过程中 不产生电流，而单纯起化学作用。 例如锅炉受热面管子在与高温烟气、水、蒸汽接触的过程中，对金属表面产生强 烈的氧化作用。腐蚀结果使铁变成铁的氧化物或氢氧化物，从而失去金属性质。
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• 晶内强度与晶界强度相等的温度，称为等强度温度（等强度）。如果工作 温度超过等强度温度，刚才的破坏形式就开始转为晶粒之间的破坏（沿晶 破坏），即在晶界处因晶粒之间的相对滑移而产生裂纹，然后裂纹沿晶界 扩展，导致脆性断裂。 • 等强度温度与载荷速度（形变速度）等因素有关。等强度温度随着载荷速 度的降低而下降。在热力设备中，有些零部件实在高温和应力的长期作用 下（相当与载荷速度很小的情况下）工作的，刚才的破坏往往属于晶粒间 的脆性断裂，在高速载荷下，如短期超温爆管（相当与冲击或短时拉伸）， 等强度温度就比较高，又会产生晶内（穿晶）塑性断裂的形式。 • 钢在常温下和高温下的断裂形式不同，说明温度对晶内强度和晶界强度的 影响不同，这也意味着晶粒的大小对刚才强度的影响与温度密切相关。在 常温下细晶粒对强度有利，而高温时（超过等强度温度）晶粒粗一些对强 度有利。
•
（a）
（b）
图5-11 20钢水冷壁管氢脆爆管的宏观及微观组织
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(二)烟气腐蚀
• 燃烧含硫高的燃料时，在烟气中生成较多的，当烟气在锅炉的尾部受热面(省煤器 空气预热器)冷却到一定温度(通常称“露点”)时，烟气中的水蒸气开始凝结并与 SO2结合成硫酸溶液，将使受热面管子受到严重的腐蚀损坏。烟气腐蚀又称为“硫 腐蚀”。
4 Fe 3O2 2 Fe2 O3
Fe 2 H 2 O FeOH 2 H 2
有些腐蚀产物能起保护作用，可以减缓化学腐蚀的速度，阻止继续产生化学腐蚀。 这是化学腐蚀的极其重要的特征。
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(二)电化学腐蚀
• 金属与电解液相接触时，有电流出现的腐蚀损坏过程，称为电化学腐蚀。 电化学腐蚀是金属腐蚀的一种主形式，它是以各种金属具有不同的电极电 位为依据的。 • 所谓电极电位是指金属在某电解质溶液中与接触的溶液之间的电位差。 • 假定标准氢电极的电极电位为零，那么某一种金属与标准氢电极之间的电 位差就叫做该金属的标准电极电位。
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• 由于h是个相当长的时间，钢材的高温持久试验一般不可能真正进行到h，通 常只试验到5000—10000h，再外推到h的断裂应力值，如图5—6所示。
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四、应力松弛
• 零件在高温和应力作用下，随着时间的增长，如果总的变形量不变，应力 值却在缓慢地降低，这种现象称为应力松弛，简称为松弛。 • 在应力松弛的过程中，应力是逐渐下降的变量，总变形量虽然没有变化， 但是其弹性变形量却在逐渐地向塑性变形旦转化。 • 应力松弛现象可用应力松弛曲线进行分析，如图5—7所示。
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垢下腐蚀一般均发生于受热面管子的向火测内壁，尤其以过热管和管子水冷壁为最 常见。
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(四)苛性脆化
• 锅炉泡包等设备的铆接（或胀接）缝隙处，由于介质的不断浓缩，产生高浓度的 碱性溶液，在钢材处于一定内应力状态下（铆接或胀接的残余应力、蒸汽压力等） 即导致碱性腐蚀脆化，如图5－１２及图5－１３所示。
锅炉、汽轮机和燃气轮机中的许多零件，如紧固件、弹麓、汽封、弹簧片等，会产生应力松弛 现象，当这些零件应力松弛到一定程度后，就会影响设备的安全可靠性。
•
在相同的温度和初应力的条件下，钢材的剩余应力值愈高，表明该钢材的抗松 弛稳定性能愈好。剩余应力的大小与温度或初应力关系很大，温度越高或者初 应力越大，剩余应力就越小。
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严重的氢脆将会引起锅炉管壁的爆破，图5－11（a）即为20号钢水冷壁管因氢脆 爆管的实物照片。对破口附近内壁表面检查时，发现有许多裂纹。
对破口附近的组织进行分析时，可以看出这些裂纹均是沿晶产生并扩展的，在氢 脆裂纹所经过的珠光体边缘，可见到有脱碳现象存在，如图5—ll（b）所示。
3Fe 4 H 2 O Fe3O4 4 H 2
产生蒸汽腐蚀后所生成的氢汽，如果不能较快地被汽流带走．还将与钢材作用，便 钢材表面脱碳并使钢材变脆．所以有时也把蒸汽腐蚀叫做“氢腐蚀”或“氢脆”。 蒸汽腐蚀实质上是个氧化过程，一日生成了的氧化铁之后，这种氧化物没有金属的 特性，很容易脱落，俗称“铁锈”。
高压锅炉和气轮机设备，可能引起蠕变的零部件很多，例如蒸汽过热器的蛇形管及其出口联箱， 过热蒸汽管道和紧固件等。
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（二）蠕变曲线 描述金属蠕变整个形变过程的曲线，叫做蠕变曲线。典型的蠕变曲线如图5-3 所示。
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• 蠕变的变形过程分为三的阶段：
汽轮机中的许多零部件也是在与腐蚀性介质相接触的条件下长期运行的，也有一 个腐蚀的问题。特别是汽轮机叶片，工作时转速很高，又与蒸汽介质直接接触， 不仅要受到蒸汽的锈蚀和冲蚀，还可能产生应力腐蚀和腐蚀疲劳，引起损坏。
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• 在设计选用热力设备零部件用钢时，除要考虑钢材高温强度外，还必须考 虑钢材的耐腐蚀性能。 • 根据大量的实践规定：在大气及弱腐蚀性介质中，腐蚀速度小于0.1mm／a 为“耐蚀”，小于0.01mm／a为“完全耐蚀”；在强腐蚀性介质中，腐蚀速 度小于1mm／a为“耐蚀”，小于0.1mm／a为“完全耐蚀”。
三、持久强度
• 钢材在高温下进行长时间的拉伸试验，其断裂时的应力值，叫做持久强度。 t 锅炉管子材料是以105h断裂的应力值作为持久强度，并以 10 表示，单位是 MPa。
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• 持久强度表示钢材在高温和应力长期作用下抵抗断裂的能力，其数值越大， 说明使之断裂所需的外力越大，即钢材在高温时能够承受外力的能力越大。 持久强度是耐热钢高温强度计算的依据，也是选用锅炉和汽轮机零部件用钢 的重要技术指标。
钢材的抗松弛稳定性，是选用高温状态下的弹簧及紧固件等零部件材料的技术 指标之一。 金属材料的高温性能还有热疲劳和热脆性。
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第二节 耐热钢的化学稳定性
• 火电厂热力设备用钢不仅要满足热强性的要求，还需要具有较高的化学稳定性， 即腐蚀性能。
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锅炉设备中过热器管和水冷壁管等受热面管子，在运行过程中其外壁直接与高温 火焰和具有腐蚀性的烟气相接触，其内壁与汽、水相接触，因而受热面管子会产 生腐蚀现象。
(三)垢下腐蚀
• • 在锅炉受热面管子中有时沉淀含有氧化铁及氧化铜的水垢。 垢下的腐蚀介质浓度很高，处于静滞状态，水垢与管壁金属相互之间产生电化学府 蚀。氧化铁与氧化铜为阴极，而受热面的钢管内壁为阳极，因而钢管内壁就要不断 被腐蚀而减薄。 水垢导热性差，容易造成管子的堵塞，使管子局部过热，严重时会引起受热面管子 鼓包或爆破。
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二、蠕变
（一）蠕变的概念
金属在一定的温度和应力的作用下，随着时间的增加，缓慢地发生塑性变形的现象，称 为蠕变。某些低熔点的金属（如铅，锡等）在室温下也会发生蠕变。碳钢当温度超过 350℃，低合金钢当温度超过350-400℃，在应力的长期作用下都有蠕变现象。 温度越高，应力越大，蠕变的速度也就越快。蠕变的形变量，叫做蠕胀。 蠕变现象严重会造成管壁的减薄，甚至会引起爆管，因此，抗蠕变能力的饿大小（蠕 变极限）是衡量耐热钢高温机械性能的一个重要技术指标。
• 当低电位的金属与高电位的金属在电解液中相接触时，低电位的金属就将被 腐蚀，而且这些金属在电化学次序中彼此相隔越远，电位低的金属被腐蚀损 坏就越快。
• 电化学腐蚀是最普遍的腐蚀损坏现象(三)腐蚀损杯的形式
• 腐蚀损坏的形式—般可分均匀腐蚀和局部腐蚀。图5－8为几种腐蚀形式的示意图。
• bc——蠕变第二阶段。这是金属以恒定的蠕变速度产生塑性变形的阶段， 这一阶段蠕变速度很小，bc近似直线，角a的正切表示蠕变速度。