火电厂金属材料-王宝才.

火电厂金属材料电力行业第11期焊接专业技术人员取证班2013-11第一章火电机组用钢的特点和钢的分类第二章金属材料基本知识第三章钢的热处理第四章钢的力学性能和微观组织第五章电站锅炉用钢的现状及发展趋势第六章部件失效案例第七章火力发电厂金属技术监督第一章火电机组用钢的特点和钢的分类1钢铁材料在火电机组中的应用特点1.1用量大火电机组基本是由钢铁材料制成的。以锅炉为例，不同蒸发量锅炉的用钢重量见表1.1。表1.1锅炉蒸发量与用钢重量之间的关系蒸发量(t／h)蒸发量(t／h)13022040041067010002000用钢重量（t）~520~9001270~1540~1300~3600~4000~196001.2钢种多火电机组用钢钢种很多，它包括碳素钢、低合金钢、中合金钢、高合金钢、不锈钢、铸钢等。1.3规格多火电机组用钢的规格有板材、管材、棒材、型材、锻件、铸件等。1.4要求高由于火电机组有的部件在高温、高压下运行，有的在高速旋转下工作，有的伴随有腐蚀的环境，其服役条件苛刻，故对电站大多数用钢有相应的标准，钢材的检验项目也较多，如工艺性能、力学性能、无损检测等。2钢铁材料的分类2.1按化学成分分（1）碳素钢低碳钢（碳含量≤0.25%）中碳钢（碳含量0.25%～0.60%）高碳钢（碳含量0.60%）（2）合金钢低合金钢（合金元素含量≤5%）中合金钢（合金元素含量5%～10%）高合金钢（合金元素含量10%）2.2按用途分（1）结构钢：碳素结构钢、合金结构钢（2）耐热钢：低合金耐热钢、中合金耐热钢、耐热不锈钢（3）弹簧钢（4）轴承钢（5）耐酸不锈钢（6）工具钢2.3按金相组织分（1）铁素体钢:一般为钢在退火状态下获得的组织,典型的为铁素体不锈钢（2）珠光体钢:钢中合金元素含量较低,在空气中冷却,可得到珠光体（3）马氏体钢:钢中合金元素含量较高,在空气中冷却,可得到马氏体（4）贝氏体钢:钢中合金元素含量较低,在空气中冷却,可得到贝氏体（5）奥氏体钢:钢中合金元素含量很高,在空气中冷却,奥氏体到室温仍不转变注：按照国际惯例珠光体钢、贝氏体钢、马氏体耐热钢统称为铁素体耐热钢（引自新型耐热钢焊接编著杨富等第13页）。2.4按品质分（1）普通钢（磷含量≤0.045%，硫含量≤0.055%；或磷、硫含量均≤0.050%）（2）优质钢（磷、硫含量均≤0.040%）（3）高级优质钢（磷含量≤0.035%，硫含量≤0.030%）高级优质钢——A超级优质钢——C特级优质钢——E2.5按冶炼方法分（1）平炉钢（酸性平炉钢、碱性平炉钢）（2）转炉钢（酸性转炉钢、碱性转炉钢）（3）电炉钢（电弧炉钢、电渣炉钢、感应炉钢、真空感应炉钢、真空自耗炉钢、电子束炉钢）第二章金属材料基本知识1晶体学基本知识(简略介绍)固态物质可分为晶体和非晶体两类。晶体中原子排列是有序的，即原子按某种特定方式在三维空间内周期性地规则重复排列。金属是一种晶体物质。非晶体内部原子的排列是无序的，更严格的讲，是不存在长程的周期排列（即在微观尺度上可能存在有序的原子团）。1.1三种典型的晶体结构金属最常见的典型晶体结构是体心立方、面心立方和密排六方结构。1.2晶体缺陷实际晶体中存在着偏离理想的结构，晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。这些区域的存在并不影响晶体结构的基本特性，仅是晶体中少数原子的排列特征发生了变化。相对于晶体结构的周期性和方向性而言，晶体缺陷易受外界条件的影响（如温度、载荷、辐照等）而变化，它们的数量及分布对材料的性能起着十分重要的作用。根据缺陷在空间的几何图象，将晶体缺陷分为三大类：即点缺陷、线缺陷、面缺陷。1.2.1点缺陷定义：如空位、间隙原子和异类原子等。作用：①任何一种点缺陷的存在，都破坏了原有原子间的作用力平衡，产生晶格畸变或应变，对应着晶体内能的升高。②点缺陷还可造成金属物理性能和力学性能的变化。最明显的是引起电阻增加。③室温下平衡浓度的点缺陷对材料的力学性能影响不大，但在高温下空位的浓度很高，空位的存在及其运动是晶体高温下发生蠕变的重要原因之一。1.2.2线缺陷定义：亦称为一维缺陷，在两个方向上尺寸很小，主要是位错。位错分类：晶体中的位错基本类型为刃型位错和螺型位错，实际位错往往是两种类型的复合，称之为混合位错。位错密度：略位错理论的应用：略①对晶体变形滑移的解释；略②强化效应，位错密度的增加以及增殖和交互作用又会使金属进一步形变困难，促使强度提高；③裂纹的产生1.2.3面缺陷定义：亦称为二维缺陷，在空间一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大的缺陷，如晶界、相界、表面等。晶界特点：原子排列不规则，偏离平衡位置，晶格畸变大，晶界上原子平均能量高于晶内原子平均能量，故有自发向低能状态转化的趋势（晶粒长大、晶界平直化）。①室温下晶界是一个高能区，可阻碍位错运动，故多晶体具有较高的形变抗力和形变硬化率。晶粒越细，强度越高；高温下晶界易于相对滑移，高温蠕变总是先从晶界开始，故对高温下运行的部件，较粗的晶粒有利于提高蠕变强度。②由于晶界上原子平均能量高于晶内原子平均能量，原子排列不规则和溶质原子在偏聚，因之在晶界上易于满足相变的能量起伏、相起伏和浓度起伏，故新相往往在晶界上优先生核。③由于晶界上原子排列不规则又有多的空位，因此，原子沿晶界扩展速度比晶内快得多。④晶界易遭到腐蚀。⑤晶界要自发的趋向能量最低的状态，这就使晶界向平直化和三叉交角趋向120°，使晶界减少；晶界在一定的温度下将发生晶界迁移，晶粒长大的过程就是晶界趋向能量较低的状态。⑥晶界熔点低。2Fe-Fe3C相图2.1铁与碳的特性铁和碳的作用•形成一系列的化合物：例如Fe3C、Fe2.2C；•碳溶解在α—Fe、δ—Fe和γ—Fe中形成间隙固溶体。2.2Fe－Fe3C相图分析（图2.1）（1）同素异构转变(注：从一种晶体转变成另一种晶体）δ（体心立方）γ（面心立方）α－Fe（体心立方）（2）共析转变0.77％C的钢，在727℃由一个固相分解为两个固相的转变叫共析转变。（3）共晶转变由液态转变成固态图2.1Fe－Fe3C合金平衡状态图2.3Fe-Fe3C相图的应用2.3.1制定热加工工艺冶炼、浇注、锻造、热处理等。2.3.2偏离平衡组织分析除了钢的退火接近平衡状态下的组织外，其余组织均偏离平衡组织。（1）偏析成分偏析、组织偏析•长程偏析（区域偏析）——溶质在凝固界面析出，引起先凝固和后凝固的固体之间成分的显著不同，这种偏析往往在较大的距离出现，故叫长程偏析。例如大轴内外壁成分的不同。•短程偏析（显微组织偏析）——指树枝晶之间和晶粒之间的显微短距离之内成分的不一致。这是由于凝固时溶质析出浸入液体，在接近推进面形成液体富集溶质层所造成的，树枝晶间偏析是一种短程偏析。树枝主干生成后，由于溶质倾向扩散进入树枝晶分叉之间，而造成树枝晶中心和外围成分的差别。偏析可通过高温（980℃）长时间扩散退火来消除。成分偏析会导致组织偏析（2）伪共析组织在共析点附近的合金，从奥氏体迅速过冷到阴线区域，此时从奥氏体来不及析出铁素体时，而得到完全的珠光体共析组织。这种不是共析成分的合金而由于过冷度大而得到完全的共析组织叫伪共析组织。在共析线两端头以外而邻近端头的的合金，平衡冷却是不出现共析组织的，但在快速冷却下组织中将有少量的共析组织，这部分共析组织也叫伪共析组织。类似的有伪共晶组织（3）魏氏组织0.2～0.6％C范围内，若原γ—Fe晶粒较粗大，以一定的冷却速度（相当于空冷或正火）转变，那麼得到的组织将不是平衡状态下的颗粒状铁素体和珠光体，而是沿一定方位分布的针状铁素体+珠光体，这种组织叫魏氏组织。魏氏组织奥氏体晶粒粗大，铁素体沿晶界分布，珠光体片层加厚。使冲击韧性下降。2.3.3焊接接头各区域的组织分析焊接过程是一个在焊接热源作用下，局部、快速、不平衡的连续加热和凝固过程。焊接接头是一个物理、化学、组织、性能不均匀体，并由不同特点的区域构成。不同的母材、不同的焊材会得到不同的成分、组织和性能。（1）低碳钢焊接接头各个区域组织和性能20钢、20g、20G：水冷壁管、中温中压管道、汽包、除氧器等图2.2为低碳钢焊接接头各个区域所处的温度区域、加热时发生的变化和冷却到室温所得到的金相组织。图2.2低碳钢焊接接头不同区域的温度、组织变化图2.3钢中的魏氏组织由图可见：低碳钢焊接接头的热影响区可分为过热区、正火区、部分相变区、再结晶区和蓝脆区。◇焊缝——铁素体＋珠光体（少量）。铁素体沿原奥氏体边界析出，晶粒较粗大，呈柱状晶，有时有魏氏组织特征。魏氏组织的特征是铁素体在奥氏体晶界呈网状析出，或从奥氏体内部沿一定方向析出，形成长短不同的针状或片条状，有时甚至直接插入珠光体晶粒中（图2.3）。同一化学成分的低碳钢，由于冷却速度、过热度以及承受的热过程不同，也会使焊缝的组织发生明显的变化。冷却速度大，焊缝组织中珠光体量多、组织细小、硬度高；过热度大，促进魏氏组织的形成；多层焊或热处理后的焊缝，组织为细小的铁素体＋珠光体（少量），且使焊缝的柱状晶遭到破坏。◇过热区——处于1100℃～固相线之间的高温部位。温度远高于相变温度，奥氏体晶粒急剧长大，冷却后成为粗大的过热组织，甚至产生魏氏组织。魏氏组织的塑性、韧性相对于母材降低约25％～30％。过热区是焊接接头的最危险区域，其性能最差。◇正火区——Ac3～1100℃。加热时铁素体、珠光体全部转变成奥氏体。由于加热时间很短，奥氏体来不及长大，冷却后获得细小的珠光体组织。焊接热循环对这部分金属的影响相当于热处理中的正火工艺，冷却后的组织比母材金属细小，力学性能也高于原金属，故正火区是焊接接头组织和性能最佳的部位。◇部分相变区（不完全重结晶区）——Ac1～Ac3之间。加热过程，珠光体转变为奥氏体，铁素体部分溶入奥氏体，随着温度的升高，奥氏体量增多，铁素体量减少；冷却过程奥氏体转变为细小的珠光体和铁素体，未溶铁素体不发生转变。可见重结晶过程不完全。部分相变区金属随着温度的升高晶粒略有长大，晶粒大小不均且相互混杂，成为焊接接头强度最低的部位。◇再结晶区——500℃～Ac1。对经过冷塑性变形而产生碎晶和晶格歪扭的金属，在该区域加热会产生再结晶过程。再结晶结果是晶粒稍有长大，塑性稍有改善。对无冷塑性变形的金属，则不发生再结晶。◇蓝脆区——200℃～500℃。无组织变化。特别在200℃～300℃的金属部分，强度稍有提高，而塑性急剧下降，金属表面发生蓝脆现象。（2）合金钢焊接接头各个区域组织和性能1）淬硬倾向较小的普通低合金钢16Mn16MnR16Mng15MnV14MnMoV：各区域组织和性能与低碳钢相近。2）淬硬倾向较大的合金钢可分为：焊缝、淬火区、不完全淬火区和回火区◇焊缝——贝氏体（上贝氏体或下贝氏体）、索氏体（珠光体）、铁素体、少量马氏体（板条马氏体或针状马氏体）。◇淬火区——高于1100℃以上的金属部位。冷却时，高碳当量的奥氏体转变为贝氏体＋少量马氏体。◇不完全淬火区——Ac1～Ac3之间。冷却时，部分高碳当量的奥氏体转变为贝氏体＋少量马氏体，未转变的铁素体保留下来。室温下是贝氏体＋少量马氏体和粗大的铁素体。◇回火区——Ac1以下温度并紧邻Ac1线。无相变，焊接时相当于回火处理。室温下组织为回火索氏体或回火屈氏体。易淬硬合金钢焊接接头出现的淬硬组织对焊接性能不利，故焊接过程中需采取予热和焊后热处理，消除淬硬组织，改善接头的力学性能。（3）9％～12％Cr钢（F11、F12、T91、P91）焊接接头各个区域组织和性能◇焊缝——马氏体＋铁素体（极少量）◇过热区——粗晶马氏体◇热影响区——细晶马氏体（4）不锈钢焊接接头各个区域组织和性能奥氏体不锈钢焊接接头：焊缝、过热区、σ相脆化区、敏化区铁素体不锈钢焊接接头：焊缝、过热区、σ相脆化区、474℃脆性区◇焊缝——奥氏体＋少量δ铁素体（少于5％）；单一铁素体。◇过热区——1100℃～1500℃。不锈钢在加热和冷却过程中不发生相变，故该区域在高温或室温下均为奥氏体或铁素体。该区温度高，接近钢熔点，晶粒长大严重，材料的塑性和韧性降低。◇σ相脆化区——