火电厂常用金属材料讲解

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。
• 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。
• Fe3C→3Fe+C • 危害：石墨没有强度及韧性，石墨化3-3.5
• 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。
• 部件：汽轮机大轴等
3.铸钢
• 铸钢：直接由钢液浇铸而成的制品，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。
• 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
• 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。
• 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；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%
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 • 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。
• 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：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%
• 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
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 • 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
σ
t 105
，单位MPa
• 影响因素：冶金质量、热处理、金相组织、晶粒
度、预变性、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 时间
7.3.蒸汽腐蚀
• 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。
• 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
• 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
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）
• 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：σ
t 1x10-5
• 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、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：
• 硬度与强度之间有线性关系：σb=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；表示V型缺口形状试样的冲击韧性。
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。
• 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、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。
• 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MP1a0。7 。在对称循环下的疲劳强度用符号σ-1表示，单位