火电厂常用金属材料讲解课件.ppt

1、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电厂常用的金属材料 三、电厂三、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 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2.化学性能 耐腐蚀性：金

2、属材料抵抗空气、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏的能力。抗氧化性：金属材料在室温或高温条件下，抵抗氧化作用的能力。化学稳定性：是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。化学性能主要取决于钢的化学成分及其热处理工艺3.机械性能 强度指标 塑性指标 硬度 冲击韧性 刚性3.1.强度指标 抗拉强度：表示材料在拉伸条件下能负担的最大外力，是试样拉断前最大的应力，即最大拉力与原来的横截面积之比。单位：MPa。屈服强度：是指材料在拉伸试验过程中开始发生明显塑性变形时的应力。单位：MPa。3.2塑性指标 塑性：是指材料断裂前承受塑性变形的能力。塑性指标：伸长率A%、断面收缩率Z%伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始

3、标距的百分比。断面收缩率：试样拉断后，断面横截面积最大的缩减量与原始截面积的百分比。3.3硬度 硬度：金属材料抵抗更硬的物体压入其表面的能力。硬度试验方法有很多种，对于电厂金属材料来讲，实验室主要采用布氏硬度试验方法（硬度值HB），现场检验常用的是里氏硬度试验方法（硬度值HLD），HLD可换算成 布氏硬度HB。硬度与强度之间有线性关系：b=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。3.5刚性 刚

4、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。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：t1x10-5 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

5、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：t105，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

6、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

7、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）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

8、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。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程。影响因素：温度、时间、应力、刚的化学成分、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。Fe3C3Fe+C 危害：石墨没有强度及韧性，石墨化3-3.5级强度下降17-18%。影响因素：温度、时间、合金元素、晶粒度及冷变形5.4合金元素向碳化物中转移 在高温下长期运行过程中，原来固熔于铁素体中的合金元素会析出转移到碳化物中。使钢的固熔强度降低。6.金属部件的疲劳 疲劳断裂：指金属材

9、料在强度极限以下，长期承受重复交变载荷的作用，在未发生明显塑性变形的情况下突然断裂的现象。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107。在对称循环下的疲劳强度用符号-1表示，单位MPa。热疲劳:由温度应力周期变化而引起的疲劳破坏。腐蚀疲劳：在交变应力作用下，钢在腐蚀介质中的破坏。接触疲劳：两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，由于交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

10、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。危害：应力腐蚀过程没有明显的塑性变形，会导致设备突然损坏，造成重大事故。不锈钢应力腐蚀开裂：最容易引起不锈钢应力腐蚀的介质是氯离子、硫化氢、氢氧化钠溶液。7.2.烟气腐蚀 烟气腐蚀：由于烟气中含硫而引起锅炉受热面管子腐蚀称烟气腐蚀或硫腐蚀。部件：锅炉尾部受热面省煤器、空气预热器易发生硫腐蚀。含镍高的合金钢易发生硫腐蚀，腐蚀特征，金属表面遭区域性破坏。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

11、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。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。工艺性能：机

12、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.碳钢碳钢 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

13、：含碳量0.25%-0.60%1.3高碳钢：含碳量0.60%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 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

14、的波动范围小，力学性能较好。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。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

15、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。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

16、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%4.1合金钢分类 按化学成分分类：如锰钢、铬钢、硅钢、铬钼钢、铬镍钢等等。按刚中合金元素总量分：低合金钢（小于5%）、中合金钢（5%-10%）、高合金钢（大于10%）按用途分：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能刚 按金相组织分：按退火组织分：亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢；按正火组织分：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢。5.耐热

17、钢 耐热钢：在高温下能够保持化学稳定性，叫做热稳定性，在高温下具有足够强度的钢叫做热强钢。具有热稳定性及热强性的钢叫耐热钢。特点：具有较高的强度和塑性、韧性配合；有较好的抗蠕变和持久断裂能力、抗氧化和抗介质腐蚀能力；冷热加工工艺性能优越。5.1耐热钢分类 珠光体耐热钢 马氏体耐热钢 铁素体耐热钢 奥氏体耐热钢5.2 珠光体耐热钢 珠光体耐热钢是以CrMo为基本元素的低合金钢。特点：比普通碳素钢具有良好的抗氧化能力和热强性，比高合金钢有较好的冷热加工性能。用途：火电厂中锅炉、汽轮机、发电机及管道、螺栓等重要部件大多采用这类刚制造。牌号：12CrMo 15CrMo 12Cr1MoV 15Cr1Mo

18、1V 12Cr2MoWVTiB 10CrMo910(德国牌号)25Cr2MoVA 20Cr1Mo1VTiB 5.3 马氏体耐热钢 马氏体耐热钢：在正火状态下得到马氏体组织的钢，合金元素含量较高，属于高合金钢。特点：具有较好的组织稳定性、抗氧化性和热强性，线膨胀系数小、工艺性能好。用途：火电厂高压锅炉联箱、主蒸汽管道、高温过热器管等重要部件大多采用这类刚制造。牌号：1Cr13 2Cr13 X20CrMoWV 121钢(F11德国牌号)X20CrMoV 121钢(F12德国牌号)P91 P92(美国牌号，9Cr-1Mo钢)5.4铁素体耐热钢 铁素体耐热钢：常温下组织形态为铁素体的钢。钢中加入了较多

19、的铁素体形成元素，如Cr、Si、Al等。特点：具有良好的耐腐蚀和耐热性能。用途：火电厂中高温零部件，如过热器支架、喷嘴、热交换器部件等等。牌号：1Cr13Si3 1Cr18Si2 1Cr25Si25.5奥氏体耐热钢 奥氏体耐热钢：常温下组织形态为单一奥氏体的钢。钢中加入了较多的合金元素，如Cr、Ni、Ti等，又称高合金奥氏体 钢。特点：具有较高的热强性及优良的耐腐蚀性，良好的综合性能，塑性、韧性及焊接性能较好，但价格较贵。用途：火电厂中超高参数锅炉过热器管（550 以上）、过热器吊架等等。牌号：1Cr18Ni9 1Cr19Ni9 0Cr18Ni11Ti6.电厂动力设备主要零部件用钢 锅炉设备：

20、炉内管（水冷壁、省煤器、过热器、再热器）、汽包、联箱、炉外管。汽轮机设备：汽缸、转子（大轴、叶轮、叶片）、锭子、螺栓等。选材原则：主要考虑工作温度、压力、内部介质、外部环境等因素，电站动力设备大多选用耐热钢。6.1锅炉管子、联箱用钢举例钢号用途举例20壁温450的导管、联箱；壁温500的受热面管子及省煤器等。20g壁温450的低中压锅炉管12CrMo壁温560的过热器管；温度550的蒸汽管道15CrMo壁温510的蒸汽导管、联箱等等。12Cr1MoV壁温580的受热面管子；温度540的联箱和导汽管锅炉管子、联箱用钢举例10CrMo910(德国钢号)壁温580的受热面管子；温度540的蒸汽管道。

21、X20CrMoWV121(F11)壁温650的受热面管子及蒸汽管道。X20CrMoV121(F12）壁温650的受热面管子及蒸汽管道.P91(美国钢号)壁温650的受热面管子及蒸汽管道。P92(美国钢号)壁温650的受热面管子及蒸汽管道。锅炉管子、联箱用钢举例1Cr19Ni11Nb壁温650的受热面管子12X18H12T(原苏联)壁温600的过热器管子、联箱6.2汽包用钢举例22g介质温度450低中压锅炉16Mng介质温度450低中压锅炉14MnMoVg介质温度500的高压锅炉14CrMnMoVB 介质温度560的高压锅炉BHW-35（德国）高压锅炉6.3螺栓用钢举例35温度425的螺栓、螺母

22、35CrMo温度480的螺栓、螺母25Cr2MoV温度510的螺栓、螺母。25Cr2Mo1V温度550的螺栓、螺母。20Cr1Mo1VTiB温度570的螺栓、螺母。6.4叶轮、主轴、转子用钢举例40Cr工作温度400的叶轮、主轴、转子34CrMo工作温度500的叶轮、主轴、转子20Cr3MoWV工作温度550的叶轮、主轴、转子6.4叶片用钢举例1Cr13工作温度470的叶片2Cr13工作温度470的叶片1Cr11MoV工作温度560的叶片1Cr12WMoV工作温度580的叶片Cr17Ni13W工作温度620的燃气轮机叶片6.4叶片用钢举例Cr14Ni18W2NbBCe工作温度680的燃气轮机叶片Cr15Ni35W3Ti3AlB工作温度700的燃气轮机叶片