电厂金属材料基础知识解析Word文件下载.docx

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钢中铜含量较高时对热变形加工不利，含量高于0.75%时，也给焊接作业带来困难。

5、锰（Mn）熔点1244℃，对铁素体和奥氏体均有较强的固溶强化作用，提高硬度和强度。

锰是弱碳化物形成元素，可形成合金渗碳体，并是良好的脱氧剂和脱硫剂，与硫形成MnS，可防止因硫而导致的热脆现象，提高焊缝金属抗热裂纹能力。

锰降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织，改善其力学性能。

锰为低合金钢的重要合金元素，并为无镍或少镍奥氏体不锈钢的主要合金化元素。

在高碳高锰耐磨钢和中碳高锰无磁钢中，锰也是主要合金元素之一，锰还强烈增加钢的粹透性，并有增加晶粒细化和回火脆性的不利影响。

6、氧（O）熔点为-218.7℃，固溶中钢中氧超过溶解度部分的氧，以各种夹杂物的形式存在，则其对钢的塑性、韧性及疲劳性能不利，尤其使钢的冲击韧性下降并提高钢的脆性转变温度。

所以通常把钢中的氧作为有害的但又不可避免的元素。

在铁氧磁性材料中，氧增加矫顽力和电阻系数，降低导磁率，是有益的重要元素。

7、磷（P）熔点44℃，磷是钢中有害的伴生杂质元素，它以铁的磷化物形式存在于钢中，Fe3P与铁形成低熔点共晶，分布于晶界面而增加产生热裂纹的倾向，但磷也有其有利的一面，如磷对提高钢的强度及冷作硬化的作用很强，但这增加了钢的脆性，尤其是低温脆性。

磷与铜配合使用，可提高低合金钢耐大气腐蚀的性能，磷与硫、锰配合使用，可提高钢的被切削性。

8、硫（S）熔点为118℃，在铁中的溶解度很低，主要以硫化物的形式存在。

硫是残存在钢中的有害元素之一，硫化铁（FeS）与铁以及氧化铁（FeO）与硫都能形成一种低熔点共晶体，其熔点仅为988℃。

国此，钢中的硫含量高会降低钢材的高温塑性，加大钢材焊接时产生的热裂纹的敏感性。

9、硅（Si）熔点为1410℃，硅和氧的亲和力仅次于铝和钛，为常用的脱氧剂，硅在钢中不形成碳化物，提高钢中固溶体的强度，冷加工变形硬化率的作用极强。

但同时也相应地降低钢的韧性和塑性。

硅还提高钢的淬透性和抗回火性，对钢综合的力学性能特别是对弹性极限，屈强比的提高较显著，并可增强钢在大气中的耐蚀性。

硅提高和改善钢的电阻率和磁导率，降低磁滞损耗，为硅钢片的主要合金元素。

硅是耐热钢中抗高温腐蚀的有益元素。

在高温下，在含硅的耐热钢表面上形成一层保护性好、致密的SiO2膜。

实践证明：

钢中含硅量达1-2%时，就有明显的高温抗氧化效果，但硅含量过高会导致钢的塑性下降，因此耐热钢中硅的含量一般在3%以下。

10、钨（W）熔点为3380℃，钨是强碳化物形成元素，常形成特殊碳化物。

对钢的影响与钼相似，但效果不如钼显著。

四、金属材料组织

1、奥氏体：

不锈钢

奥氏体是碳溶于γ铁中的固溶体。

在钢的各种组织中奥氏体的体积最小，线彭涨系数最大，除渗碳体外，在钢的各种组织中，奥氏体的导热性能最差。

奥氏体的塑性高，屈服强度低，容易塑性变形加工成形，所以钢的锻造加工常常要求在奥氏体稳定在高温区域进行。

2、铁素体

铁素体具有体心立方点阵结构，碳在其中最大溶解度为0.0218%（727℃）室温是碳几乎不溶于铁素体中。

压力容器用碳素结构钢及低中合金钢均为碳含量小于25%的亚共析钢，这类钢在冷却过程中自奥氏体中析出先共析铁素体。

3、珠光体

珠光体由铁素体与渗碳体机械混合组成，其典型形态为片状或层状。

钢中珠光体的力学性能主要取决于钢的化学成份和热处理后所获得的组织形态。

珠光体团直径和层间距离越小，强度越高，塑性也越大。

4、贝氏体R102

钢中贝氏体是过冷奥氏体在中温区域分解后所得的产物，它一般是由铁素体和碳化物所组成的片状组织。

贝氏体大致可分为以下几种①上贝氏体②下贝氏体③无碳化物贝氏体④粒状贝氏体⑤反常贝氏体和粒状贝氏体

5、马氏体：

P91

钢经过奥氏体化后快速冷却抵制其扩散性分解，在较低温度下发生的转变称为马氏体转变。

钢中马氏体是最主要的特性就是高硬度，高强度，其硬度随含碳量的增加而升高，引起马氏体高强度的原因是多方面的，其中主要包括相变强化、碳原子的固溶强化和时效强化等。

五、力学性能

1、金属材料在静拉伸下的力学性能

金属材料在静拉伸下的力学性能指标主要有屈服强度（δs）、抗拉强度（δb）、伸长率（δ）和断面收缩率（ψ）。

A、屈服强度（δs）

屈服强度（屈服点）是表征金属材料在静拉力作用下开始塑性变形的抗力指标，是工程技术上最为重要的力学性能指标之一。

因为在生产实际中，绝大部分工程构件和机械零件，在其服役过程中都处于弹性变形阶段，不允许有微量塑性变形产生，像高压容器，如其紧固螺栓发生塑性变形，即无法正常工作，屈服强度标志着金属对起始塑性变形的抗加，对于实际金属（多晶体）来说，由于起始塑性变形的非同时性特点，无法测定这一抗力指标，因而不得不用条件规定的办法。

对于退火，正火，调质状态的碳素钢和低合金钢存在物理屈服现象，在应力-应变曲线上出现上、下屈服点和屈服平台，这类材料取其下屈服点的强度为该材料的屈服强度。

B、抗拉强度（δb）

抗拉强度是代表最大均匀塑性变形抗力的指标

抗拉强度是静拉伸试验中最容易测定的力学性能指标，而且是重现性好的性能指标，所以适合于做为产品规格说明或质量控制的标志。

C、伸长率（δ）和断面收缩率（ψ）

伸长率和断面收缩率是静拉伸下衡量金属塑性变形能力的指标。

2、冲击韧性和低温脆性

（1）冲击韧性冲击韧性值的大小代表金属材料抗冲击载荷能力的大小，冲击载荷就是作用力在极短时间内有着很大变化幅度的载荷大小用AKV来表示，单位为焦耳。

（2）低温脆性

除面心立方金属外，其他金属随温度下降都可能发生曲韧性向脆性的转变，其标志是在一定温度下冲击值或断面收缩率急剧下降，这种现象称为冷脆。

能明显改变晶粒大小的各种合金化，热处理手段，均能显著的改变金属材料的脆化趋势，晶粒越细，冷脆转变温度越低，冲击韧性值也越大。

3、断裂韧性

断裂是工程构件最危险的一种失效方式，工程设计时必须考虑如何防止断裂事故，断裂有两种类型，即韧性断裂和脆性断裂，发生韧性断裂时，断裂前有明显的宏观塑性变形，容易被检测和发现。

而脆性断裂往往是突发的，事先很难发现断裂的征兆，因此脆性断裂比韧性断裂具有更大的危险性。

4、金属的疲劳

零件在交变应力作用下的损坏称为疲劳损坏，据统计在机械零件失效中有80%以上属于疲劳破坏，例如大多数轴类零件通常受到的交变应力为对称循环应力，这种应力可以是弯曲应力，扭转应力，或者是两者的复合。

如火车的车轴，是弯曲疲劳的典型！

汽车的传动轴后桥半轴主要是承受扭转疲劳，柴油机曲轴和汽轮机主轴则是弯曲和扭转疲劳的复合。

又如，齿轮在啮合过程中所受的载荷在零到某一极大值之间变化，而缸盖螺栓则处于大拉小的状态中，这类情况为拉-拉疲劳，连杆不同于螺栓，始终处于小拉大压的负荷中，这类情况称为拉-压疲劳。

5、环境介质作用下力学行为

（1）应力腐蚀：

材料或零件在应力和腐蚀材料的作用下引起的破坏称为应力腐蚀。

应力腐蚀主要特点有以下几个：

第一，造成应力腐蚀破坏的应力必须是拉应力。

这个应力可以是外加应力，也可以是焊接，冷加工或处理产生的残留应力，但必须是拉应力。

（2）氢脆

氢脆就是金属材料因吸收氢而引起的脆化现象，引起金属脆化的氢有各种不同的来源。

（3）腐蚀疲劳

金属材料在腐蚀介质与交变应力共同作用下所产生的失效现象称为金属材料腐蚀疲劳。

金属材料在腐蚀介质和交变应力联合作用下，那些单纯受腐蚀时表面形成的蚀坑或裂纹，本可有一层保护膜覆盖。

但同时还存在交变应力的作用，使这层保护膜不断受到破坏，以致暴露在腐蚀环境中的一直是新鲜的金属表面，这样腐蚀疲劳强度就大大下降。

6、工艺性能

（1）焊接性

金属材料焊接性是指被焊接金属在一般焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的能力。

在焊接过程中有些材料容易产生某些焊接缺陷，如气孔，夹渣，裂纹等，并使焊缝和近缝区性能变化，所以往往需要特殊的工艺措施，应用特定的焊接方法，才能保证焊接质量。

（2）可锻性

金属可锻性是衡量其经受锻压难易程度的工艺性能。

可锻性的优劣以金属的塑性和变形抗力来综合评定。

塑性高则金属变形不易开裂，变形抗力小则锻压省力，而且不易磨损工具和模具，这样的金属具有良好的可锻性。

金属元素含量越多，金属的可锻性就越差，金属的结晶组织与可锻性有很大关系。

由单一固溶体组成的合金，都有较好的可锻性。

如果合金中含有多种性能不同的组织，则锻压时由于各组织变形不均就容易开裂，因此锻造大都是在高级单一奥氏体区进行。

六、金属材料的热处理

1、铁碳合金相图

（1）铁碳合金的基本相及其性能

铁碳合金固态下的基本相分为两大类，即固容体和金属化合物。

固态铁碳合金的基本相为铁素体、奥氏体和渗碳体。

A、铁素体有很好的塑性和韧性，但强度、硬度较低，在铁碳合金中是软韧相，铁素体是912℃以下的平衡相，也称为常温相，在铁碳合金相图中用符号F表示。

B、奥氏体是727℃以上的平衡相，也称高温相，在高温下，面心立方晶格的奥氏体具有极好的塑性，所以碳钢具有很好的轧、锻等热加工工艺性能，在铁碳合金相图中奥氏体用A表示。

C、渗碳体的硬度高达800HV，大约是铁素体硬度的10倍，但极脆，塑性几乎为零。

在铁碳合金中它是硬脆相，是碳钢铁主要强化相，在铁碳合金相图中渗碳体用Fe3C表示。

2、铁碳合金相图图形

以温度和铁碳合金元素浓度为坐标，来表示不同浓度的铁碳合金在不同温度下的组织结构简明图解称为铁碳合金平衡状态图。

3、奥氏体晶粒长大及其影响

（1）奥氏体晶粒长大

奥氏体形成后，继续加热或保温，晶粒将会长大，其长大过程是晶粒相互吞并的过程，奥氏体晶粒长大会减少晶粒总面积，降低系统自由能，所以奥氏体晶粒长大是一自发过程。

晶粒细小，冷却转变后组织也细小，其强度和韧性都较高，反之，塑性、韧性下降，脆性提高，淬火时容易开裂。

（2）奥氏体晶粒度

晶粒度是表示晶粒大小的尺度，有以下三种不同的概念。

A：

起始晶粒度：

指铁素体向奥氏体转变刚完成时的奥氏体晶粒度的大小。

实际应用很少。

B：

实际晶粒度：

指某一热处理后或热加工条件下，所得到的奥氏体晶粒大小可以测定。

它直接影响处理后的性能，实际晶粒度一般分为8级，数字越大，晶粒越细，1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒。

C：

本质晶粒度：

将钢加热到（930℃±

10℃），并保温8h后，测定奥氏体晶粒大小，若得到的奥氏体实际晶粒度为1-4级，属于本质粗晶粒度钢，若测得5-8级晶粒度，测属于本质细晶粒钢。

在压力容器设计过程中，多数选用本质细晶粒钢。

七、压力容器和钢的处理

压力容器用钢热处理类别是不多的。

常见类型有正火，淬火回火温消除热应力退火等。

奥氏体不锈钢有固溶化和稳定化处理。

1、退火

将钢加热到高于或低于奥氏体化临界点，保温一段时间，然后缓慢冷却（一般随即冷却）以获得接近平衡组织的热处理工艺称退火。

在压力容器制造过程中，应用最多的是去应力退火。

（1）去应力退火的目的和作用

为了消除由于焊接、塑性变形加工及切削加工造成的残余应力而进行的退火称为去应力退火，去应力退火的加热保温温度在相变点以下。

在压力容器制造中，去应力退火主要用于消除复合钢板复层贴金后的残余应力，消除产品封头，简体等零件冷成形及中温成形后的残余应力，消除焊接接头中的内应力和冷作硬化，提高抗头抗脆断能力，稳定焊接构件的形状，消除焊件在焊后机加工和使用过程中的变形，促使焊缝金属中的氢完全向外扩散，从而提高焊缝的抗塑性和韧性。

去应力退火在压力容器行业中常习惯称之为高温回火或焊后热处理，但广义焊后热处理还应包括正火、固溶化处理等热处理。

（2）去应力退火裂纹

压力容器用钢，特别是含Nb的奥氏体、不锈钢、铁素体、耐热钢、低合金高强钢，在焊后去应力退火过程中往往在焊缝热影响区接近容合线的粗晶粒区产生小继续的裂纹，通常称为去应力退火裂纹。

产生这种裂纹的原因，主要是钢内存在较多的碳化物形成元素，具有较高的沿淀硬化倾向。

为了防止去应力退火时形成裂纹，可以严格控制V，Nb,Ti等再热裂纹敏感性元素，采用低氢焊条，小能量，小焊条焊接，适当提高焊接预热、后热温度，选用合适的去应力退火规范等。

2、正火

将钢加热至奥氏体化温度并保温使之均匀化后，在空气中冷却的热处理工艺称为正火。

压力容器常用的碳钢和低合金钢通过正火，可以提高力学性能和化晶粒，改善组织（如消除魏氏组织，带状组织，大块铁素铁等）。

（1）常用压力容器钢的正火工艺

正火加热温度一般为AC3以上30-50℃，保温时间根据钢材有效厚度，一般按每毫米保温1.5-2.5min计算，冷却方式一般为空冷，也可采用风冷，以及喷雾冷却，厚度超200mm,也可采用水加速冷却正火。

（2）过热和过烧

钢在加热时，由于温度进高，并且较长时间保温会使晶粒长的很粗大，致使性能显著降低的现象，称为过热，过热钢一般呈石状断口，断口表面呈小丘状粗晶结构，晶粒无金属光泽，仿佛被熔化过，过热可以通过正火或高温扩散退火等热处理方法矫正和恢复。

钢加热时，加热温度比过热温度还要高，达到固相线附近时，会发生晶界开始部分熔化或氧化现象，称为过烧，过烧钢不能用热处理方法来恢复，只能报废。

3、淬火

将钢加热到临界点以上，保温后迅速冷却下来，以得到马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。

（1）压力容器钢淬火的特点与方法

压力容器用低碳钢和低合金钢淬火是为了获得低碳马氏体或者贝氏体组织，低碳马氏体是板条马氏体，具有高强度，良好的韧性，低的脆性转变温度，一般此类钢的淬火冷却均采用水冷，主要有以下三种方式：

喷淋淬火

喷淋淬火冷却效果好，均匀工件变形小。

对于冷成形制造的球罐等压力容器，热形制造的压力容器筒节、封头等零部件，都采用喷淋淬火，为保证喷淋管道喷射水柱有一定压力，又避免喷射孔堵塞，喷孔一般为2.5-3mm，但喷射孔不能太多。

在强烈循环水中浸入淬火

在淬火槽内用消耗使水强制循环，提高冷却能力。

浸入法：

将工件整体浸入大的静止水槽内冷却，此前两种效果差一些，但设备简单易行。

（2）钢的淬火加热温度和保温时间与正火工艺基本相同。

4、回火

（1）压力容器用钢回火一般采用高温回火处理，回火后的组织一般为回火马氏体或回火马氏体+回火贝氏体，对于正火后获得铁素体+珠光体组织的钢种一般没有必要进行高温回火。

（2）回火工艺

压力容器用钢回火处理加热温度随钢种和力学性能要求不同而异，保温时间以板厚（锻件以最大厚度）每毫米保温2.5-3.5min,或者按每25mm保温1h计算。

5、回火脆性与回火脆化

（1）回火脆性

随着回火温度的提高，一般钢的硬度和抗拉强度都降低，伸长率和断面收缩率则增加，但冲击韧性不一定，回火温度的增高而简单的增加，因为有一些钢在某一温度区域回火时，其冲击韧性随回火温度增高反而降低，这种现象称回火脆性。

回火脆性基本上分为两类，即第一类回火脆性和第二类回火脆性。

在250-400℃回火时出现的脆性，称第一类回火脆性，凡是淬火后形成的马氏体组织的钢，在此温度区间，回火都有可能发生这种脆化现象，由于这类回火脆性一旦出现就不易消除，所以也称为不可逆回火脆性。

在450-600℃回火或更高温度（600-700℃）回火后缓冷时出现的脆性称为第二类回火脆性，第二类回火脆性主要产生于铬钢、锰钢和铬镍钢，出现这类回火脆性时，可重新加热至回火温度（稍高于脆化温度范围）。

然后快冷至室温的方法来消除，所以这类回火脆性又称之为可逆回火脆性，在钢中加0.3%-0.5%的钼可有效抑制这类回火脆性的产生。

总之，产生第一类回火脆性的钢件，需重新加热淬火或正火才能消除脆性，产生第二类回火脆性的钢件应重新回火并快速冷却，就可以消除脆性。

（2）回火脆化

钢制压力容器在380-750℃温度范围内长期使用，使钢材脆化的现象称之为回火脆化，这并不是回火热处理后产生的脆性，而是钢在高温下长时间使用过程中产生的，请注意两都之间的区别。

一般碳钢不会出现回火脆化，公在铬镍钢、铬钼钢、铬镍钼钢中才出现，合金元素锰和硅及钢中杂元素，磷、砷、锡、碲等会促使钢脆化。

为防止压力容器用钢高及长期使用发生脆化，一般通过控制钢的化学成份来减小回火脆化的倾向。

6、调质：

钢材淬火后再进行回火的热处理工艺方法称为调质。

压力容器用低碳钢和低合金钢采用调质处理，可以提高钢材的强度和韧性，以更好发挥材料的潜力。

7、稳定化处理

含稳定化元素的奥氏体不锈钢在850-900℃加热，并保温一段时间，然后空冷，使碳充分与稳定化元素（如钛）形成碳化物，并使奥氏体晶内元素扩散均匀。

从而提高晶间腐蚀处理方法，称稳定化处理。

8、固溶化处理

将奥氏体不锈钢加热至1100℃左右的高温并保温，有碳化物充分深入奥氏体中，然后以较快的速度冷却（一般采用水冷或风冷），以获得碳化物完全溶于奥氏体基体均有的单相组织，从而提高抗晶间腐蚀和延展性的工艺方法称之为固溶化处理。

对于奥氏体不锈钢碳化物完全溶入奥氏体的温度一般高于900℃，奥氏体不锈钢的碳化物主要是铬的碳化物。

它在奥氏体中溶解相当缓慢，欲使之在较短时间内完全溶解并均匀化，必须采用更高温度，但温度太高又会使晶粒过分粗大，影响钢的使用性能。

故在实际生产中一般采用加热温度1000-1150℃，保温时间一般按1-1.5min/mm计算。

八、碳素钢和低合金钢

1、碳素钢特点与应用

碳素钢是指钢中不特意加入其他金属元素，除铁和炭以处，只含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。

碳素钢生产工艺较简单，价格低廉，工艺性能良好，因而在机械制造业中得到广泛应用。

碳素钢包括普通碳素钢，优质碳素钢，压力容器用和锅炉用碳素钢等多种类型。

锅炉和压力容器制造中，低碳钢得到了广泛的应用。

受压元件所用的主要有两类：

一类是优质碳素结构钢，另一类是专用碳素钢最常用的是20钢和10钢轧制的无缝钢管制作锅炉受热后管件集箱，汽水管道，换热器列管等受压元件，10钢和20钢具有良好的塑性，加工工艺性能好，焊接性能也好，20钢的含碳量比10钢高20%，近年来大多采用20钢，并在此基础上派生出来，专用碳素钢如15g、20g、20R等，主要是对硫磷等有害元素控制更加严格，对钢材表面质量和内部缺陷的要求也较高。

对锅炉与压力容器用钢的化学成份有严格的的审批同意。

力学性能也必须保证。

特别对冲击韧性有较严格的要求，并要求其时效敏感性小。

保证良好的塑性和韧性。

组织结构应该均匀一致，晶粒度希望能控制在一定范围内（晶粒度一般控制在3-7级间）应尽量减少夹层，收缩，疏松及气孔等缺陷。

九、低合金结构钢

1、特点和应用

低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入少量合金元素，提高其强度，并改善其实用性能而发展起来的一类工程结构用钢，其合金总含量不超过5%，一般在3%以下，是介于碳结构钢和合金结构钢之间的一类钢。

锰是钢中的最基本合金元素，在碳钢中主要通过固溶强化来提高钢的强度，在低合金钢中主要利用其降低相变温度，同时较大程度推迟珠光体转变，细化先析出铁素铁及贝氏体型尺寸来提高钢的强度和韧性，钒、钛、铌是微合金化元素，通过细化晶粒以及析出强化作用来明显改善钢的强韧性，并可使钢板获得良好的焊接性。

低合金结构钢的生产工艺相对比较简单，交货状态多为热轧和正火，部分钢种为正火加回火或调质。

焊接性能优良，其中以高强度低焊接裂纹敏感性钢（屈服强度490MPa以上）的强韧性匹配及焊接性能更为优良，以调质状态供货。

十、一般国产锅炉用钢材：

国产锅炉（主蒸汽参数570℃以下）用钢材

用途

工作温度℃

钢种

受热面钢管

~700

~650

~600

~580

~560

~530

~480

1Cr19Ni11Nb,1Cr19Ni9

10Cr9Mo1VNb

12Cr2MoWVTiB

12Cr1MoV,10Cr2Mo

15CrMo,12Cr1MoV

20MoG,15MoG

20G,16Mn

集箱、

蒸汽管道

~565

~550

~500

~430

WB36,20MoG,15Mo3

1锅炉过热器管

12Cr1MoV钢市我国制造锅炉的主要钢种，与西方国家用的T22、10CrMo910钢相比，该钢具有较高的热强性能，组织稳定性和良好的抗氧化性能，工艺性能比T22之类钢略差，由于做了大量工艺试验研究工作，已掌握住其工艺特点，易于制造，不论生产任何压力的机组，只要金属温度不超过580℃的受热面管，用12Cr1MoV钢均有把握。

212CrMoWVTiB（也成钢102）钢，曾推荐用于600℃~620℃受热面管，数十年运行实践表明，该钢达到或略超过620℃时，氧化速度很快，而锅炉在启动和运行中，难免超过金属设计温度，为减少失效现象发生，后建议该钢用于设计温度600℃，在570℃~595℃这一温度区内，该钢具有足够的抗氧化性能，具比12Cr1MoV钢，有较高的许用应力，是性能比好，是经考验的低合金热强钢钢种。

10Cr9Mo1VNb钢即西方各国通用的P91钢，已引进并列入我国高压锅炉无缝管标准。

我国生产的10Cr9Mo1VNb钢规格、尺寸、化学成分、金相组织、力学性能（含高温瞬时力学性能）持久强度等都达到或超过技术标准（但国产P91实际达不到性能要求），弯管焊接工艺性能良好，适用于600℃~650℃受热面管，当该钢用于590℃~650℃