锅炉金属材料文档格式.docx

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金属材料抵抗瞬间冲击载荷的能力，一般用摆锤弯曲冲击试验来确定；

硬度：

就是金属材料的软硬程度，反应金属材料抵抗压入物压陷能力的大小，是金属表面的局部区域抵抗塑性变形和破坏的能力，一般有洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度和肖氏硬度等几种试验方法。

2）锅炉用钢的特殊性能

锅炉常用金属材料在室温和高温下的特殊性质有以下几种：

断裂韧性：

A）平面应变断裂韧性KIC是抵抗裂纹发生扩展的能力，由GB4161规定的断裂韧性试验来确定，主要用于评定较脆的材料；

B）裂纹尖端张开位移临界值δC；

和C）临界J积分，JIC按GB2038规定的方法来确定。

B和C专用于评定塑性较好的材料的断裂韧性。

断口形态脆性转变温度FATT：

是指材料由韧性向脆性状态转化的温度，由系列冲击试验来确定。

该温度可用来确定锅炉受压元件的水压试验的温度；

无塑性转变温度NDT：

是指在落锤试验时，材料刚好发生断裂的最高温度，由落锤试验来确定。

应变时效敏感性：

该系数指原始状态和应变时效（材料冷加工变形后，由于室温和较高温度下的材料内部脱溶沉淀过程导致性能尤其是冲击韧性发生变化的现象称之）后的冲击功的平均值之差与原始状态的冲击功的平均值之比，由GB4160规定的方法来测定；

疲劳：

长期承受交变载荷作用的零件，在发生断裂时的应力，远低于材料的屈服强度，这种现象叫疲劳损坏。

金属材料在无数次交变载荷作用下，不致引起断裂的最大应力叫做疲劳强度，用σ-1表示。

分为低周疲劳和高周疲劳，低周疲劳是指高应变或应力、低寿命的疲劳，锅炉受压元件材料承受低周疲劳居多；

高周疲劳主要是弹性应变起决定作用。

由相应的疲劳试验来确定；

腐蚀疲劳：

指在循环交变应力和腐蚀介质共同作用下产生的开裂与破坏；

热疲劳：

由于温度的循环变化，引起热应力的循环变化，并由此产生的疲劳破坏。

若热应力长期工作中多次周期性地作用在材料上，将会引起塑性变形的积累，导致热疲劳裂纹的产生与扩展，使材料出现损伤破坏。

其一般出现在金属零件的表面，成龟裂状。

锅炉的减温器管、省煤器管、再热器管与水冷壁管等，都会由于温度的波动及起动、停炉等造成热疲劳损坏。

主要的影响因素是部件本身的温度差。

就钢来说，其高温组织稳定性越好，其抗热疲劳能力越高；

钢的线膨胀系数愈大、导热系数愈小，就会造成较大的温度差和热应力而降低材料的抗热疲劳性能。

珠光体钢的抗热疲劳性能高于奥氏体钢就是这个原因。

此外热疲劳裂纹一般均属晶内破坏，故细晶钢具有更高的抗热疲劳性能。

蠕变及蠕变强度：

在一定温度和应力作用下，随时间增加发生缓慢的塑性变形的现象称为蠕变。

材料的蠕变曲线（蠕变变形量和时间的关系曲线）如图3，由图可知，在加载引起瞬间变形（oa）后，蠕变过程分为三个阶段：

ab段（变形逐渐减慢，称为减速阶段或不稳定阶段），bc段（变形速度基本恒定，称为稳定阶段。

此一线段倾角的正切表示蠕变速度），cd段（蠕变加速，称为最后阶段）。

当温度升高或应力增大，第二阶段会变短或消失。

而蠕变极限则是指材料在一定温度下、在规定的持续时间之内，产生一定蠕变变形量或引起规定的蠕变速度，此时所能承受的最大应力，有两种定义方法：

一种是以σT1×

10-5表示（在T℃时引起的蠕变速度为1×

10-5%/h的应力，即是在T温度，引起规定蠕变第二阶段的形变速度的应力值，如σ1.10-5代表蠕变速度为1.10-5%/h的蠕变强度，锅炉材料常采用此种表示定义）；

或以σT1/105表示（在T℃时工作105h，其总变形量为1%的应力值；

如σ1/105代表经100000小时总变形为1%的蠕变强度）。

持久强度：

在高温和应力长期作用下抵抗断裂的能力，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，以σTt表示，其中T示温度（℃），t示时间（h）。

火电厂的高温材料一般用σT105表示，即在T℃运行105h发生断裂应力值。

由于许多钢在长期高温运行后，其塑性降低明显，此时尽管蠕变变形量未到达规定值，但材料却提前破坏，呈现出蠕变脆性现象，这是十分危险的。

故锅炉钢管常以持久强度作为设计依据。

持久强度和塑性按GB6395规定的持久试验来确定。

持久强度曲线如图4，当应力一定时，材料运行环境的绝对温度和断裂时间t存在如下关系式（拉尔森-米勒尔方程）：

T（c+lgt）=常数，c对一定材料为常数（见表1），据此公式可知，温度越高，寿命越短。

因而超温运行会严重影响工件的寿命。

表1 

不同钢材的c值

钢种 

c值 

钢种 

c值

低碳钢 

18 

18Cr-8Ni奥氏体不锈钢 

18

钼钢 

19 

18Cr-8Ni-Mo奥氏体不锈钢 

17

Cr-Mo钢 

23 

25Cr-20Ni不锈钢 

15

Cr-Mo-Ti-B钢 

22 

高铬不锈钢 

24-25

持久塑性：

通过持久强度试验，测量试样在断裂后的相对伸长率δ及断面收缩率ψ，持久塑性是高温下材料运行的一个重要指标，它反映材料在高温及应力长时间作用下的塑性性能；

一般要求持久塑性δ不得低于3-5%。

抗松驰稳定性：

零件在高温和应力长期作用下，若维持总变形不变，零件的应力将随时间延长而逐渐降低的现象，它是弹性变形自动转成塑性变形的结果。

对紧固件用钢来说，其抗松驰性能是一个重要的高温性能指标，一般以抗松驰稳定性（即材料抵抗松驰的能力称之）作为强度计算指标。

组织稳定性：

这是高温材料的特殊性能，稍后讲。

抗氧化性：

在高温工作下的钢材很容易与直接接触的介质发生化学反应，如锅炉过热器的外表面与烟气、主蒸汽管道外表面与空气等都会发生氧化反应，从而使金属表面产生化学腐蚀。

高温时，当O2、CO2、H2O等汽体与金属表面接触发生氧化时，如果金属与氧形成的氧化膜能挥发或不能完整地覆盖在金属表面，则金属会继续被氧化；

若氧化膜能象一层致密的保护膜一样覆盖在金属表面，则其可以防止金属被进一步氧化。

铁的氧化物有三种，即FeO、Fe3O4、Fe2O3。

当温度在570℃以下时，碳钢材料表面上形成的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4所组成，这种氧化物较致密，能强烈地防止原子扩散，故其具有一定的抗氧化性。

当温度高于570℃时，形成的氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO三层所组成，其厚度比例大致为1：

10：

100，此时的主要氧化物为FeO，这种氧化物不致密，其晶体结构简单，是铁原子缺位的固溶体，金属原子很容易通过空位进行扩散，因而破坏了整个氧化膜的强度，故其抗氧化性差。

因此在温度高于570℃时，铁的氧化过程大大加速。

提高钢的高温抗氧化性能的基本方法是合金化；

对加入钢的中的合金元素应满足下列要求：

（1）能在钢的表面形成一层稳定的合金氧化膜，以阻止铁与氧结合，为此合金元素的的离子应比铁离子小，比铁更容易氧化，

（2）合金氧化膜应与铁基体结合紧密，不容易剥落。

Al、Si、Cr三种元素均可满足上述要求。

Al、Si的过多加入会影响钢的组织稳定性，故目前主要加入Cr来提高钢的抗氧化性能。

要使钢具有足够的抗氧化性，温度越高，则所要加入的Cr量越多：

在600-650℃间，约要5%的Cr；

800℃时，约要12%的Cr；

950℃时，约要20%的Cr；

1100℃时，要28%的Cr。

但大多数情况下一般不单独加Cr，应同时加入Cr和Al，Cr和Si或Cr、Al、Si，这样一方面可以降低Cr的使用量，另一方面还可提高钢的热强性能。

高温下钢除了受到氧化外，还可能受到其它气体，如SO2、SO3、H2S、H2等的作用，产生诸如

（1）硫腐蚀、

（2）氢腐蚀以及（3）应力腐蚀等高温腐蚀，如锅炉受热面管子在运行过程中，管壁直接与高温汽水、水和蒸汽接触，会产生腐蚀现象，引起管子过早破坏。

象空气预热器等如在露天下工作，由于烟气中有SO2，还会产生低温腐蚀损坏。

提高钢材抗高温腐蚀性能的措施仍是加入Cr、Al、Si等合金元素最为有效，这些元素加入后一方面形成致密氧化膜起保护作用，另一方面可提高钢的电极电位，使Fe离子不容易被拉走，材料也不易被腐蚀。

如加入11.7%Cr，钢的电极电位就由负变成正，所以一般的不锈钢的含Cr量为12-13%。

热脆性：

指钢在某一温度区间长期加热会导致其冲击韧性显著降低的现象。

其可能的原因是在高温下沿原奥氏体晶界析出了一层碳化物或氮化物脆性网，如FeS或Cr7C3等。

主要影响因素是钢的化学成分，含Cr、Mn、Ni等元素的钢的热脆倾向大，而加入Mo、W、V等会降低该脆性，在低合金钢中加入微量元素如B、Ti、Nb也可降低热脆性。

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∙kahou（2007-5-1323:

07:

57）

3锅炉金属材料类别

1）用于制造锅炉的金属材料有如下种类：

锅炉用钢板、锅炉用钢管、锅炉用锻件及圆钢；

其它还有铸钢件、铸铁件、紧固零件及焊接材料等。

（1）锅炉钢板：

分为汽包钢板和结构钢板。

A汽包钢板：

是我厂锅炉的重要受压元件的材料，留到稍后讲。

B结构用钢板：

主要用于制造钢结构，如炉顶板、平台扶梯、炉顶小室、地脚螺栓和腹板等，（A）碳素结构钢，按国家标准GB700-1988，共有5种（Q195，Q215A、B，Q235A、B、C、D，Q255A、B，Q275，不仅仅用于结构板，也用于锻件或紧固件）；

（B）优质碳素结构钢（GB699，直接用含碳量表示，不仅仅用于结构板，也用于锻件或紧固件）；

（C）低合金结构钢，按GB/T1591-94，同样为五种（Q295A、B，Q345A、B、C、D、E，Q390A、B、C、D、E，Q420A、B、C、D、E，Q460C、D、E）；

（D）合金结构钢（GB3077，不仅仅用于结构板，也用于锻件或紧固件）

（A）和（C）中的结构钢，大多含碳量小于0.2%、锰0.8-1.7%、钒0.02-0.2%、铌0.015-0.060%、钛0.02-0.2%；

我厂也用16Mn和19Mn6等钢做炉顶板等较重要的部件。

（2）受热面钢管：

是我厂重要的受压元件材料，留到稍后讲。

（3）锻件：

主要用于生产有关的锅筒吊杆、管板、盖板、管道法兰等件。

见表3（及其它更好的钢如Cr13型马氏体不锈钢和1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢）。

表3 

锅炉用锻件

钢的种类 

钢号 

标准编号 

适用范围

工作压力（MPa） 

壁温（℃）

碳素钢 

Q235-A,Q235-B 

GB700 

≤2.5 

≤350

Q235-C,Q235-D 

20，25 

GB699 

≤5.9 

≤450

合金钢 

12CrMo 

ZBJ98016锅炉锻件技术条件 

不限 

≤540

15CrMo 

≤550

12Cr1MoV 

≤565

30CrMo35CrMo 

≤450

25Cr2MoVA 

≤510

（4）铸钢件：

锅炉铸件主要是阀门及管道附件。

机组运行时铸件承受内压力、静应力，要求保证其有足够的强度和刚度；

对高温下工作的铸件，还要求有高的持久强度和蠕变强度，以及良好的热疲劳性能和一定的抗氧化性。

在温度较高和压力较大时，一般采用铸钢件。

表4 

锅炉用铸钢件

ZG200-400 

GB11352 

≤6.3 

ZG230-450 

ZBJ98015 

ZG20CrMo 

ZBJ98015锅炉管道附件承压铸钢件技术条件 

≤510

ZG20CrMoV 

≤540

ZG15Cr1Mo1V 

≤570

（5）铸铁件：

分为灰铸铁（HT150以上）、可锻铸铁（KTH300-06、KTH300-08、KTH300-10、KTH300-12）和球墨铸铁（QT400-18、QT450-10）三种。

这三类铸铁的适用公称压力和介质温度基本上是逐渐升高，但压力不大于2.5MPa，温度不高于300℃。

（6）紧固零件：

螺栓和螺帽等件主要用于管道法兰、阀门等需要紧固连接的部件上，以保证机组运行时不漏气。

处于较高温度下工作的紧固件，是在应力松弛的条件下工作的，工作时承受拉伸应力，有时也有弯曲应力；

由于其失效将造成漏汽和停电等重大事故，影响机组安全运行，故对其用钢有如下要求：

高的抗松弛性、高的屈服强度、一定的持久强度和蠕弯强度、高的持久塑性和小的蠕变脆性、具有一定的抗氧化性能。

表5 

锅炉用紧固零件

介质温度（℃）

≤1.6 

35 

≤420

40Cr 

GB3077 

35CrMo 

JB/T74 

≤500

25Cr2Mo1VA 

20Cr1Mo1VNiTiB20Cr1Mo1TiB 

2Cr12WMoVNbB 

≤600

（7）焊接材料：

焊接受压元件所作用的焊条应符合GB/T5117《碳钢焊条》、GB/T5118《低合金钢焊条》、GB983《不锈钢焊条》的规定；

焊丝应符合GB4242《焊接用不锈钢丝》、GB/T8110《气体保护电弧焊用钢焊丝》、GB10045《碳钢药芯焊丝》、GB/T14957《熔化焊用钢丝》、GB/T14958《气体保护焊用钢丝》的规定；

焊剂应符合GB5293《碳素钢埋弧焊用焊剂》、GB12470《低合金钢埋弧焊用焊剂》的规定。

2）验收：

用于制造锅炉的主要材料如钢板、钢管和焊接材料等，锅炉制造厂应按有关规定进行入厂验收，合格后方能使用。

当然若质量稳定并取得有关机构产品安全质量认可的材料，可免于入厂验收。

3）国外材料：

若锅炉受压元件采用国外钢材，应符合以下要求：

应为国外锅炉用钢标准所列的钢号或化学成分、力学性能、焊接性能与国内允许用于锅炉的钢相近，并列入钢材标准的钢号或成熟的锅炉钢号；

应按订货合同规定的技术标准和技术条件进行验收，对照国内锅炉钢标准如其缺少检验项目，必要时应补做所缺项目的检验，合格后方能使用；

首次使用前，应进行焊接工艺评定和成形工艺试验，满足要求后才能使用。

4）代用材料：

锅炉受压元件代用的钢板和钢管，应采用化学成分和力学性能相近的材料，并满足强度和结构上的要求，并经有关技术部门同意。

4耐热钢在高温时的组织稳定性及强化原理

1）耐热钢在高温时的组织变化

在室温时，钢的组织一般是稳定的。

但在高温及应力的长期作用下，由于原子扩散过程的加剧，钢的组织将逐渐发生变化，从而引起钢的性能发生改变，特别是对钢的高温强度及塑性产生不利的影响。

耐热钢在高温时表现出来的组织变化有以下四种：

珠光体组织球化和碳化物聚集、碳化物结构石墨化、合金元素在固溶体和碳化物之间重新分配、时效并产生新相。

（1）珠光体组织球化和碳化物聚集：

珠光体球化是指钢材经高温长期运行后，珠光体组织中的渗碳体由片状逐渐变成球状，并聚集长大。

20碳钢、15CrMo、12Cr1MoV等珠光体耐热钢，其原始组织一般为铁素体加珠光体，所以它们在高温下最普遍的组织不稳定性就是珠光体球化。

发生球化的原因是：

球状渗碳体比片状的更为稳定；

因前者的表面积比同体积的球状渗碳体的大，总表面能较高；

在高温下，由于原子得到能量，活动能力增强，将自发从高能量状态向低能量的状态转变。

珠光体球化会使钢的室温和高温强度降低，尤其使蠕变极限和持久强度下降，从而加速了高温部件在运行过程中的蠕变速度，导致破坏加速。

如对12Cr1MoV钢的试验表明：

完全球化后，该钢的持久强度比未球化的降低约1/3；

含Mo量0.5%的钢在538℃下使用20年后，蠕变极限下降77%。

在火电厂中，引起爆管事故的重要原因往往就是珠光体发生严重球化，因而要对锅炉钢管等设备的材料进行珠光体球化程度监督，定期检查其发展情况。

影响珠光体球化的因素主要是温度、时间及钢的化学成分。

温度高、时间长，则球化严重；

钢中加入Cr、Mo、V、Nb、Ti等到合金元素能阻止碳在固溶体中的扩散或形成稳定的碳化物，所以能阻碍或减缓渗碳体向球状转变和聚集。

但钢中加入铝Al会加速球化过程。

（2）石墨化：

钢中的Fe3C在高温和应力作用下会发生分解，从而析出游离态的C（石墨），这一组织转变称为石墨化。

石墨化是碳钢和珠光体钼钢组织不稳定的一种最危险形式。

碳钢在450℃、钼钢在485℃以上，经几万h运行后，就会出现石墨化，使钢材的性能恶化，造成脆性爆管事故。

石墨化不仅很大程度上消除了碳化物对钢的强化作用，而且由于石墨本身的强度和塑性极低，相当于在钢中出现了裂纹或孔隙，危害极大。

钢中的化学成分对其石墨化倾向有决定性的影响：

Al、Si、Ni是促进石墨化的元素，故热力设备用的碳钢和钼钢应尽可能不用Al、Si脱氧，而加入碳化物形成元素Cr、V、Ti、Nb等形成稳定性更高的碳化物，或使渗碳体的稳定性提高，从而能有效地阻止石墨化过程。

高温蒸汽管道经过冷变形和焊接，也会促进石墨化进程，特别是在焊接热影响区中，最易出现链状石墨化石墨，使管子破裂，对焊缝采用退火或正火后回火等措施，可大大减少石墨化倾向。

（3）合金元素在固溶体和碳化物之间重新分配：

钢的组织，在高温和应力长期作用下，固溶体中的合金元素逐渐减少，碳化物中的合元素逐渐增多，使固溶体中的合金元素逐渐贫化。

对耐热钢来说，固溶体中的合金元素的贫化主要是指Mo、Cr贫化。

这样重新分配的结果，使钢的强度、蠕变极限和持久强度下降，对高温部件的运行构成威胁。

合金再分配的过程随温度升高和时间延长而加强。

钢中含碳量的升高也会加速这一过程。

特别是温度接近于钢材的使用温度上限时，合金元素迁移的速度更快。

图5为碳化物中合金元素的含量与温度及运行时间的变化关系。

钢的化学成分对合金元素的再分配有决定性的影响。

由于合金元素的再分配与扩散过程有关，因此钢中加入能延缓扩散过程的元素将有利于固溶体的稳定。

如在铬钼钢中加入V元素，则可减慢Mo、Cr的迁移过程，所以Mo、Cr、V钢较Mo、Cr钢时的使用温度更高。

（4）时效和新相的形成：

耐热钢在高温应力下工作，随时间的推移，从过饱和固溶体中分解出高度弥散的强化相粒子（新相），使钢的性能随之变化。

时效前期强化相的粒子细小而弥散，钢的强度、硬度升高，而韧性、塑性降低，即表现出弥散沉淀强化；

随时间延续，新相粒子聚集长大，强化效果渐渐消失，钢的室温和高温强度都显著下降。

钢在时效过程中的析出的新相主要是碳化物，另外有一些氮化物和金属间化合物。

奥氏体和马氏体等高合金耐热钢时效的倾向较大，而低合金的珠光体耐热钢的时效倾向较小。

2）耐热钢的强化原理和合金元素的作用 

（1）耐热钢强化原理：

钢中加入合金元素，即通过合金化来提高钢的热强性，是耐热钢的主要强化措施。

合金对钢的强化作用主要表现在强化固溶体、强化晶界、强化渗碳体及沉沉淀强化。

A）固溶强化：

耐热钢是以固溶体为基体的，固溶强化是耐热钢的重要手段之一，加入合金元素能强化基体的主要原因是：

合金元素增强了固溶体原子间的结合力（这主要是因为加入Cr、Mo、W、Mn、Nb等元素能增加金属原子间键合的电子数，键合电子数越多，原子间结合力越强。

只有V、Ni会降低α固溶体的结合力）；

合金元素引起晶格畸变（合金元素的原子半径与铁原子半径大小不同，大多数合金原子的半径比铁原子的大，原子半径相差愈大，引起的晶格畸变也愈大，晶格常数的改变就大。

合金元素使晶格常数增加的次序为：

Co、Cr、Ni、Mn、Mo、V、W、Al、Ti、Nb）；

合金元素提高固溶体的再结晶温度，延缓再结晶过程（如Co、Ni、Si、Mn、Cr、Mo、W等提高再结晶温度的能力依次递增，可有效地提高钢的热强性）；

合金元素提高铁原子的自扩散激活能，并阻止碳与合金元素在固溶体中扩散，使组织更加稳定。

如加入Mo、W、Ni、V等能阻碍扩散过程的进行。

特别是当多种合金元素共同加入后，它们的交互作用对固溶强化的效应更明显，也更主要）。

B）强化晶界：

由于晶界处原子排列不规则，存在大量缺陷和空位，原子沿晶界扩散速度就比晶内扩散速度大得多；

而且钢中的硫、磷及其它低熔点的杂质易于在晶界聚集，并往往与基体金属形成易熔共晶组织。

因此，高温下晶界强度较低，有利于蠕变的进行和蠕变裂纹的产生。

故在高温长期应力作用下，钢的断裂形式也往往是晶间断裂，所以强化晶界对提高钢的热强性具有十分重要的意义。

合金元素对晶界的强化作用主要表现在如下几个方面：

纯化晶界（S、P等杂质元素在晶界聚集形成的脆性，可通过加入Mn、B、Re和碱金属等化学性极活泼的元素，使之与上述杂质在冶金过程中发生反应生成稳定难熔的化合物而加以消除）；

填充晶界空位（B原子的直径介于一般间隙原子如N、C等和置换原子之间，钢中加入微量的B，无论其