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1、电厂金属材料第五章 耐热钢12/22/202212/22/20221 1电厂金属材料钢钢在在高高温温下下能能够够保保持持化化学学稳稳定定性性（耐耐腐腐蚀蚀、不不起起皮皮）得得品品质质，叫叫做做钢钢的的热热稳稳定定性性；钢钢在在高高温温下下具具有有足足够够强强度度的的品品质质，叫叫做做钢的热强性。具有热稳定性和热强性的钢，称为耐热钢。钢的热强性。具有热稳定性和热强性的钢，称为耐热钢。火火电电厂厂热热力力设设备备中中很很多多零零部部件件是是在在高高温温、高高压压和和腐腐蚀蚀介介质质中中长长期期工工作作的的。因因此此，这这些些零零部部件件需需用用耐耐热热钢钢制制造造。此此外外，耐耐热热钢钢还还用用来
2、来制制造造汽汽车车和和飞飞机机发发动动机机的的排排气气阀阀，化化学学热热处处理理设设备备中中的的耐耐热构件等。热构件等。12/22/202212/22/20222 2电厂金属材料一、高温对钢材强度的影响钢钢材材的的工工作作温温度度超超过过某某一一温温度度后后，钢钢的的抗抗拉拉强强度度RmRm要要降降低低；钢钢材材在在高高温温下下使使用的时间越长，其强度极限也会越低。用的时间越长，其强度极限也会越低。第一节第一节 耐热钢的高温性能耐热钢的高温性能12/22/202212/22/20223 3电厂金属材料机械性能温度和实践的关系，可用强度极限与温度的关系曲线表示，如图机械性能温度和实践的关系，可用
3、强度极限与温度的关系曲线表示，如图5-15-1所示。所示。铁铁及及其其合合金金在在200200300300时时的的强强度度比比室室温温时时高高，其其脆脆性性也也比比室室温温时时大大，这这种种现现象象称称为为兰脆。兰脆。从从5-15-1中中还还可可以以看看出出，350350以以上上时时抗抗拉拉强强度度逐逐渐渐下下降降，强强度度曲曲线线分分为为两两根根，上上面面的的一一根为快速试验时的强度曲线，下面的一根为缓慢试验时的强度曲线。根为快速试验时的强度曲线，下面的一根为缓慢试验时的强度曲线。应力超过上面的曲线时，试样就断裂；应力超过上面的曲线时，试样就断裂；应力低于下面的曲线时，一般认为试样应力低于下
4、面的曲线时，一般认为试样不会发生断裂；应力位于两根曲线之间不会发生断裂；应力位于两根曲线之间时，试样断裂需经过一定的时间。应力时，试样断裂需经过一定的时间。应力越接近上面的曲线，试样断裂所经历的越接近上面的曲线，试样断裂所经历的时间越短。时间越短。12/22/202212/22/20224 4电厂金属材料金金属属的的强强度度是是由由晶晶内内强强度度（晶晶粒粒内内原原子子的的引引力力）和和晶晶界界强强度度（晶晶界界的的结结合合力力）两部分所组成。两部分所组成。常常温温下下晶晶界界强强度度大大于于晶晶界界强强度度，这这是是因因为为晶晶界界的的原原子子排排列列不不规规则则，而而且且晶晶体体缺缺陷陷又
5、又较较多多，从从而而具具有有较较大大的的抗抗变变形形能能力力，金金属属的的破破坏坏总总是是带带有有金金属属内内破破坏坏（穿晶破坏）的特点。（穿晶破坏）的特点。随随着着温温度度的的升升高高，晶晶内内强强度度和和晶晶界界强强度度都都将将下下降降。但但晶晶界界的的原原子子比比晶晶内内的的原原子子更更不不稳稳定定，晶晶界界的的缺缺点点又又比比晶晶内内的的多多，在在较较高高温温度度下下原原子子的的扩扩散散速速度度就就大大，因因此此晶晶界界强强度度的的下下降降速速度度就就快快。到到达达某某一一温温度度后后，晶晶界界强强度度就就底底于于晶晶内内强强度度，如图如图5-25-2所示。所示。12/22/20221
6、2/22/20225 5电厂金属材料晶晶内内强强度度与与晶晶界界强强度度相相等等的的温温度度，称称为为等等强强度度温温度度（等等强强度度）。如如果果工工作作温温度度超超过过等等强强度度温温度度，刚刚才才的的破破坏坏形形式式就就开开始始转转为为晶晶粒粒之之间间的的破破坏坏（沿沿晶晶破破坏坏），即即在在晶晶界界处处因因晶晶粒粒之之间间的的相相对对滑滑移移而而产产生生裂裂纹纹，然然后后裂裂纹纹沿沿晶晶界界扩展，导致脆性断裂。扩展，导致脆性断裂。等等强强度度温温度度与与载载荷荷速速度度（形形变变速速度度）等等因因素素有有关关。等等强强度度温温度度随随着着载载荷荷速速度度的的降降低低而而下下降降。在在热
7、热力力设设备备中中，有有些些零零部部件件实实在在高高温温和和应应力力的的长长期期作作用用下下（相相当当与与载载荷荷速速度度很很小小的的情情况况下下）工工作作的的，刚刚才才的的破破坏坏往往往往属属于于晶晶粒粒间间的的脆脆性性断断裂裂，在在高高速速载载荷荷下下，如如短短期期超超温温爆爆管管（相相当当与与冲冲击击或或短短时时拉拉伸伸），等强度温度就比较高，又会产生晶内（穿晶）塑性断裂的形式。等强度温度就比较高，又会产生晶内（穿晶）塑性断裂的形式。钢钢在在常常温温下下和和高高温温下下的的断断裂裂形形式式不不同同，说说明明温温度度对对晶晶内内强强度度和和晶晶界界强强度度的的影影响响不不同同，这这也也意意
8、味味着着晶晶粒粒的的大大小小对对刚刚才才强强度度的的影影响响与与温温度度密密切切相相关关。在在常常温温下下细细晶晶粒粒对对强强度度有有利利，而而高高温温时时（超超过过等等强强度度温温度度）晶晶粒粒粗粗一一些些对对强强度有利。度有利。12/22/202212/22/20226 6电厂金属材料二、蠕变（一）蠕变的概念（一）蠕变的概念金属在一定的温度和应力的作用下，随着时间的增加，缓慢地发生塑性变形的现象，称金属在一定的温度和应力的作用下，随着时间的增加，缓慢地发生塑性变形的现象，称为蠕变。为蠕变。某些低熔点的金属（如铅，锡等）在室温下也会发生蠕变。碳钢当温度超过某些低熔点的金属（如铅，锡等）在室温
9、下也会发生蠕变。碳钢当温度超过350350，低合金钢当温度超过，低合金钢当温度超过350-400350-400，在应力的长期作用下都有蠕变现象。，在应力的长期作用下都有蠕变现象。温度越高，应力越大，蠕变的速度也就越快。蠕变的形变量，叫做蠕胀。温度越高，应力越大，蠕变的速度也就越快。蠕变的形变量，叫做蠕胀。高压锅炉和气轮机设备，可能引起蠕变的零部件很多，例如蒸汽过热器的蛇形管及其出口联箱，高压锅炉和气轮机设备，可能引起蠕变的零部件很多，例如蒸汽过热器的蛇形管及其出口联箱，过热蒸汽管道和紧固件等。过热蒸汽管道和紧固件等。蠕变现象严重会造成管壁的减薄，甚至会引起爆管蠕变现象严重会造成管壁的减薄，甚至
10、会引起爆管，因此，抗蠕变能力的饿大小（蠕，因此，抗蠕变能力的饿大小（蠕变极限）是衡量耐热钢高温机械性能的一个重要技术指标。变极限）是衡量耐热钢高温机械性能的一个重要技术指标。12/22/202212/22/20227 7电厂金属材料（二）蠕变曲线描述金属蠕变整个形变过程的曲线，叫做蠕变曲线。描述金属蠕变整个形变过程的曲线，叫做蠕变曲线。典型的蠕变曲线如图典型的蠕变曲线如图5-35-3所所示。示。12/22/202212/22/20228 8电厂金属材料蠕变的变形过程分为三的阶段：蠕变的变形过程分为三的阶段：oaoa开开始始部部分分。这这是是加加上上载载荷荷所所引引起起的的瞬瞬间间变变形形。如如
11、果果所所加加的的应应力力值值超超过过了了该该温温度度下下的的弹弹性性极极限限，这这种种变变形形实实际际上上包包括括弹弹性性变变形形和和塑塑性性变变形形两两部部分。这一变形还不标志蠕变现象，而是外力家上后所引起的一般变形现象。分。这一变形还不标志蠕变现象，而是外力家上后所引起的一般变形现象。abab蠕蠕变变第第一一阶阶段段。这这是是蠕蠕变变的的不不稳稳定定阶阶段段，金金属属以以逐逐渐渐减减慢慢的的的的变变形形速度积累着塑性变形。这一阶段的蠕变速度是很大的。速度积累着塑性变形。这一阶段的蠕变速度是很大的。bcbc蠕蠕变变第第二二阶阶段段。这这是是金金属属以以恒恒定定的的蠕蠕变变速速度度产产生生塑塑
12、性性变变形形的的阶阶段段，这一阶段蠕变速度很小，这一阶段蠕变速度很小，bcbc近似直线，角近似直线，角a a的正切表示蠕变速度。的正切表示蠕变速度。cdcd蠕蠕变变第第三三阶阶段段。这这是是蠕蠕变变的的最最后后阶阶段段，金金属属以以逐逐渐渐增增加加的的变变形形速速度度积累着塑性变形量，直至积累着塑性变形量，直至d d点发生断裂。点发生断裂。12/22/202212/22/20229 9电厂金属材料不不同同的的金金属属材材料料进进行行实实验验时时，得得到到的的蠕蠕变变曲曲线线是是不不同同，同同一一种种金金属属材材料料的的蠕蠕变变曲曲线线也也随随着着实实验验条条件件（温温度度，应应力力）的的不不同
13、同而而不不同同。应应力力和和温温度度对对蠕蠕变曲线的影响，如图变曲线的影响，如图5-45-4，图，图5-55-5所示。所示。12/22/202212/22/20221010电厂金属材料(三三)蠕变强度蠕变强度工程上用蠕变极限作为蠕变抗力的技术指标工程上用蠕变极限作为蠕变抗力的技术指标。蠕蠕变变强强度度通通常常有有两两种种表表示示方方法法。一一种种方方法法是是以以一一定定的的工工作作温温度度下下引引起起规规定定的的第第二阶段蠕变速度的应力值来表示。二阶段蠕变速度的应力值来表示。热力设备零部件用钢中规定的蠕变速度，一般是热力设备零部件用钢中规定的蠕变速度，一般是或或蠕变极限就相应写成蠕变极限就相应
14、写成 或或 。有时也以。有时也以 或或 表示在温度表示在温度t时的蠕变极限，单位是时的蠕变极限，单位是MPa。12/22/202212/22/20221111电厂金属材料三、持久强度另另一一种种方方法法是是以以一一定定的的工工作作温温度度下下，规规定定的的工工作作时时间间内内，钢钢材材发发生生一一定定的的总总变变形形量量时时的的应应力力值值来来表表示示。热热力力设设备备零零部部件件用用钢钢中中规规定定工工作作时时间间为为h(h(约约12a)12a)，总总变变形形量量1 1蠕蠕变变极极限限就就写写成成 。有有时时也也以以 表表示示在在温度温度t t时的蠕变极限。时的蠕变极限。钢钢材材在在高高温温
15、下下进进行行长长时时间间的的拉拉伸伸试试验验，其其断断裂裂时时的的应应力力值值，叫叫做做持持久久强强度度。锅锅炉炉管管子子材材料料是是以以10105 5h h断断裂裂的的应应力力值值作作为为持持久久强强度度，并并以以 表表示示，单单位位是是MPaMPa。持持久久强强度度表表示示钢钢材材在在高高温温和和应应力力长长期期作作用用下下抵抵抗抗断断裂裂的的能能力力，其其数数值值越越大大，说说明明使使之之断断裂裂所所需需的的外外力力越越大大，即即钢钢材材在在高高温温时时能能够够承承受受外外力力的的能能力力越越大大。持持久久强强度度是是耐耐热热钢钢高高温温强强度度计计算算的的依依据据，也也是是选选用用锅锅
16、炉炉和和汽汽轮轮机机零零部部件件用用钢钢的重要技术指标。的重要技术指标。12/22/202212/22/20221212电厂金属材料由由于于h h是是个个相相当当长长的的时时间间，钢钢材材的的高高温温持持久久试试验验一一般般不不可可能能真真正正进进行行到到h h，通通常只试验到常只试验到5000500010000h10000h，再外推到再外推到h h的断裂应力值，如图的断裂应力值，如图5 56 6所示。所示。12/22/202212/22/20221313电厂金属材料四、应力松弛零零件件在在高高温温和和应应力力作作用用下下，随随着着时时间间的的增增长长，如如果果总总的的变变形形量量不不变变，应
17、应力力值却在缓慢地降低，这种现象称为值却在缓慢地降低，这种现象称为应力松弛，简称为松弛。应力松弛，简称为松弛。在在应应力力松松弛弛的的过过程程中中，应应力力是是逐逐渐渐下下降降的的变变量量，总总变变形形量量虽虽然然没没有有变变化化，但是其弹性变形量却在逐渐地向塑性变形旦转化。但是其弹性变形量却在逐渐地向塑性变形旦转化。应力松弛现象可用应力松弛曲线进行分析，如图应力松弛现象可用应力松弛曲线进行分析，如图57所示。所示。锅炉、汽轮机和燃气轮机中的许多零件，如紧固件、弹麓、汽封、弹簧片等，会产生应力松弛锅炉、汽轮机和燃气轮机中的许多零件，如紧固件、弹麓、汽封、弹簧片等，会产生应力松弛现象，当这些零件
18、应力松弛到一定程度后，就会影响设备的安全可靠性。现象，当这些零件应力松弛到一定程度后，就会影响设备的安全可靠性。在在相相同同的的温温度度和和初初应应力力的的条条件件下下，钢钢材材的的剩剩余余应应力力值值愈愈高高，表表明明该该钢钢材材的的抗抗松松弛弛稳稳定定性性能能愈愈好好。剩剩余余应应力力的的大大小小与与温温度度或或初初应应力力关关系系很很大大，温温度度越越高高或或者者初初应力越大，剩余应力就越小。应力越大，剩余应力就越小。钢钢材材的的抗抗松松弛弛稳稳定定性性，是是选选用用高高温温状状态态下下的的弹弹簧簧及及紧紧固固件件等等零零部部件件材材料料的的技技术术指标之一。指标之一。金属材料的高温性能
19、还有热疲劳和热脆性。金属材料的高温性能还有热疲劳和热脆性。12/22/202212/22/20221414电厂金属材料第二节 耐热钢的化学稳定性火火电电厂厂热热力力设设备备用用钢钢不不仅仅要要满满足足热热强强性性的的要要求求，还还需需要要具具有有较较高高的的化化学学稳稳定定性性，即即腐蚀性能。腐蚀性能。锅锅炉炉设设备备中中过过热热器器管管和和水水冷冷壁壁管管等等受受热热面面管管子子，在在运运行行过过程程中中其其外外壁壁直直接接与与高高温温火火焰焰和和具具有有腐腐蚀蚀性性的的烟烟气气相相接接触触，其其内内壁壁与与汽汽、水水相相接接触触，因因而而受受热热面面管管子子会会产产生生腐腐蚀现象。蚀现象。
20、汽汽轮轮机机中中的的许许多多零零部部件件也也是是在在与与腐腐蚀蚀性性介介质质相相接接触触的的条条件件下下长长期期运运行行的的，也也有有一一个个腐腐蚀蚀的的问问题题。特特别别是是汽汽轮轮机机叶叶片片，工工作作时时转转速速很很高高，又又与与蒸蒸汽汽介介质质直直接接接接触触，不不仅仅要受到蒸汽的锈蚀和冲蚀，还可能产生应力腐蚀和腐蚀疲劳，引起损坏。要受到蒸汽的锈蚀和冲蚀，还可能产生应力腐蚀和腐蚀疲劳，引起损坏。在在设设计计选选用用热热力力设设备备零零部部件件用用钢钢时时，除除要要考考虑虑钢钢材材高高温温强强度度外外，还还必必须须考考虑钢材的耐腐蚀性能。虑钢材的耐腐蚀性能。根根据据大大量量的的实实践践规
21、规定定：在在大大气气及及弱弱腐腐蚀蚀性性介介质质中中，腐腐蚀蚀速速度度小小于于0.1mm0.1mma a为为“耐耐蚀蚀”，小小于于0.01mm0.01mma a为为“完完全全耐耐蚀蚀”；在在强强腐腐蚀蚀性性介介质质中中，腐腐蚀蚀速速度小于度小于1mm1mma a为为“耐蚀耐蚀”，小于，小于0.1mm0.1mma a为为“完全耐蚀完全耐蚀”。12/22/202212/22/20221515电厂金属材料一、腐蚀的原理金属的腐蚀，按照腐蚀的原理可以分为金属的腐蚀，按照腐蚀的原理可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀化学腐蚀和电化学腐蚀。(一)化学腐蚀金属直接与介质发生氧化或还原反应而引起的腐蚀损坏，称为化学腐
22、蚀。过程中金属直接与介质发生氧化或还原反应而引起的腐蚀损坏，称为化学腐蚀。过程中不产生电流，而单纯起化学作用。不产生电流，而单纯起化学作用。例如锅炉受热面管子在与高温烟气、水、蒸汽接触的过程中，对金属表面产生强例如锅炉受热面管子在与高温烟气、水、蒸汽接触的过程中，对金属表面产生强烈的氧化作用。腐蚀结果使铁变成铁的氧化物或氢氧化物，从而失去金属性质。烈的氧化作用。腐蚀结果使铁变成铁的氧化物或氢氧化物，从而失去金属性质。有些腐蚀产物能起保护作用，可以减缓化学腐蚀的速度，阻止继续产生化学腐蚀。有些腐蚀产物能起保护作用，可以减缓化学腐蚀的速度，阻止继续产生化学腐蚀。这是化学腐蚀的极其重要的特征。这是化
23、学腐蚀的极其重要的特征。12/22/202212/22/20221616电厂金属材料(二)电化学腐蚀金金属属与与电电解解液液相相接接触触时时，有有电电流流出出现现的的腐腐蚀蚀损损坏坏过过程程，称称为为电电化化学学腐腐蚀蚀。电电化化学学腐腐蚀蚀是是金金属属腐腐蚀蚀的的一一种种主主形形式式，它它是是以以各各种种金金属属具具有有不不同同的的电电极极电电位为依据的。位为依据的。所谓电极电位是指金属在某电解质溶液中与接触的溶液之间的电位差。所谓电极电位是指金属在某电解质溶液中与接触的溶液之间的电位差。假假定定标标准准氢氢电电极极的的电电极极电电位位为为零零，那那么么某某一一种种金金属属与与标标准准氢氢电
24、电极极之之间间的的电电位差就叫做该金属的标准电极电位。位差就叫做该金属的标准电极电位。当当低低电电位位的的金金属属与与高高电电位位的的金金属属在在电电解解液液中中相相接接触触时时，低低电电位位的的金金属属就就将将被被腐腐蚀蚀，而而且且这这些些金金属属在在电电化化学学次次序序中中彼彼此此相相隔隔越越远远，电电位位低低的的金金属属被被腐腐蚀蚀损损坏就越快。坏就越快。电化学腐蚀是最普遍的腐蚀损坏现象。电化学腐蚀是最普遍的腐蚀损坏现象。12/22/202212/22/20221717电厂金属材料(三)腐蚀损杯的形式腐蚀损坏的形式腐蚀损坏的形式般可分均匀腐蚀和局部腐蚀。图般可分均匀腐蚀和局部腐蚀。图58
25、为几种腐蚀形式的示意图。为几种腐蚀形式的示意图。产产生生点点腐腐蚀蚀的的原原因因是是由由于于金金属属的的表表面面缺缺陷陷(裂裂纹纹、折折叠叠)以以及及疏疏松松、夹夹杂杂等等引引起起的的。点点腐腐蚀蚀一一般般是是在在不不同同的的区区域域内内产产生生的的，往往往往迅迅速速向向深深处处发发展展，致致使使穿穿透透金金属属，形形成腐蚀坑。成腐蚀坑。12/22/202212/22/20221818电厂金属材料二、电厂常见的腐蚀损坏类型(一一)蒸汽腐蚀蒸汽腐蚀 锅炉受热面管子，特别是锅炉受热面管子，特别是锅炉的过热器锅炉的过热器管易产生管易产生“蒸汽腐蚀蒸汽腐蚀”，其化学反应如下：，其化学反应如下：产生蒸汽
26、腐蚀后所生成的氢汽，如果不能较快地被汽流带走还将与钢材作用，便钢产生蒸汽腐蚀后所生成的氢汽，如果不能较快地被汽流带走还将与钢材作用，便钢材表面脱碳并使钢材变脆材表面脱碳并使钢材变脆所以有时也把蒸汽腐蚀叫做所以有时也把蒸汽腐蚀叫做“氢腐蚀氢腐蚀”或或“氢脆氢脆”。蒸汽腐蚀实质上是个氧化过程，一日生成了的氧化铁之后，这种氧化物没有金属的特蒸汽腐蚀实质上是个氧化过程，一日生成了的氧化铁之后，这种氧化物没有金属的特性，很容易脱落，俗称性，很容易脱落，俗称“铁锈铁锈”。12/22/202212/22/20221919电厂金属材料 严严重重的的氢氢脆脆将将会会引引起起锅锅炉炉管管壁壁的的爆爆破破，图图5
27、51111（a a）即即为为2020号号钢钢水水冷冷壁壁管管因因氢氢脆脆爆管的实物照片。对破口附近内壁表面检查时，发现有许多裂纹。爆管的实物照片。对破口附近内壁表面检查时，发现有许多裂纹。对对破破口口附附近近的的组组织织进进行行分分析析时时，可可以以看看出出这这些些裂裂纹纹均均是是沿沿晶晶产产生生并并扩扩展展的的，在在氢氢脆脆裂纹所经过的珠光体边缘，可见到有脱碳现象存在，如图裂纹所经过的珠光体边缘，可见到有脱碳现象存在，如图5 5llll（b b）所示。）所示。图5-11 20钢水冷壁管氢脆爆管的宏观及微观组织（a）（b）12/22/202212/22/20222020电厂金属材料(三三)垢下
28、腐蚀垢下腐蚀在锅炉受热面管子中有时沉淀含有氧化铁及氧化铜的水垢。在锅炉受热面管子中有时沉淀含有氧化铁及氧化铜的水垢。垢垢下下的的腐腐蚀蚀介介质质浓浓度度很很高高，处处于于静静滞滞状状态态，水水垢垢与与管管壁壁金金属属相相互互之之间间产产生生电电化化学学府府蚀蚀。氧氧化化铁铁与与氧氧化化铜铜为为阴阴极极，而而受受热热面面的的钢钢管管内内壁壁为为阳阳极极，因因而而钢钢管管内内壁壁就就要要不不断断被腐蚀而减薄。被腐蚀而减薄。水水垢垢导导热热性性差差，容容易易造造成成管管子子的的堵堵塞塞，使使管管子子局局部部过过热热，严严重重时时会会引引起起受受热热面面管管子子鼓包或爆破。鼓包或爆破。垢垢下下腐腐蚀蚀
29、一一般般均均发发生生于于受受热热面面管管子子的的向向火火测测内内壁壁，尤尤其其以以过过热热管管和和管管子子水水冷冷壁壁为为最最常见。常见。(二二)烟气腐蚀烟气腐蚀燃燃烧烧含含硫硫高高的的燃燃料料时时，在在烟烟气气中中生生成成较较多多的的，当当烟烟气气在在锅锅炉炉的的尾尾部部受受热热面面(省省煤煤器器空空气气预预热热器器)冷冷却却到到一一定定温温度度(通通常常称称“露露点点”)时时，烟烟气气中中的的水水蒸蒸气气开开始始凝凝结结并并与与SOSO2 2结结合合成成硫硫酸酸溶溶液液，将将使使受受热热面面管管子子受受到到严严重重的的腐腐蚀蚀损损坏坏。烟烟气气腐腐蚀蚀又又称称为为“硫硫腐蚀腐蚀”。12/2
30、2/202212/22/20222121电厂金属材料 (四四)苛性脆化苛性脆化锅锅炉炉泡泡包包等等设设备备的的铆铆接接（或或胀胀接接）缝缝隙隙处处，由由于于介介质质的的不不断断浓浓缩缩，产产生生高高浓浓度度的的碱碱性性溶溶液液，在在钢钢材材处处于于一一定定内内应应力力状状态态下下（铆铆接接或或胀胀接接的的残残余余应应力力、蒸蒸汽汽压压力力等等）即即导致碱性腐蚀脆化，如图导致碱性腐蚀脆化，如图5 5及图及图5 5所示。所示。12/22/202212/22/20222222电厂金属材料 (五五)应力腐蚀应力腐蚀 应力腐蚀是介质与应力同时作用下引起的一种腐蚀。应力腐蚀是介质与应力同时作用下引起的一种
31、腐蚀。在在锅锅炉炉管管道道中中的的应应力力腐腐蚀蚀往往往往发发生生在在蠕蠕变变过过程程中中，由由于于金金属属表表面面氧氧化化膜膜破破裂裂，导导致致部部分分裸裸出出的的金金属属承承受受更更大大的的应应力力，又又在在腐腐蚀蚀性性介介质质(蒸蒸汽汽或或烟烟气气)渗渗入入下下，因因电电化化学学作用而迅速被腐蚀。汽轮机的叶片、叶轮和螺栓等也会有这种损坏现象。作用而迅速被腐蚀。汽轮机的叶片、叶轮和螺栓等也会有这种损坏现象。应力腐蚀的裂纹，应力腐蚀的裂纹，常常诱发疲劳或脆性破坏常常诱发疲劳或脆性破坏，因此是腐蚀中破坏性最大的一种。，因此是腐蚀中破坏性最大的一种。图图514为为应应力力腐腐蚀蚀损损坏坏的的实实
32、物物照照片片。由由于于钢钢管管本本身身存存在在着着较较大大的的内内应应力力，在在与与腐腐蚀蚀介介质质的的接接触触中中，由由于于应应力力与与腐腐蚀蚀的的共共同同作作用用而而开开裂裂了了。图图515是是开开裂裂处处的的显显微微形形貌貌，从从图图中中可可以以看看出出应应力力腐腐蚀蚀的的裂裂纹纹，一一根根主主裂裂纹纹的的边边缘缘往往往往还还有有许许多多小小裂裂纹纹。裂裂纹纹大大多数是沿晶的，裂纹中也会有腐蚀产物。多数是沿晶的，裂纹中也会有腐蚀产物。12/22/202212/22/20222323电厂金属材料(六)腐蚀疲劳在在交交变变应应力力作作用用下下，钢钢在在腐腐蚀蚀性性介介质质(蒸蒸汽汽或或烟烟气
33、气)中中的的腐腐蚀蚀破破坏坏称称为为腐腐蚀蚀疲疲劳劳。汽汽轮机的叶片、轴类、弹簧等零部件常因腐蚀疲劳而破坏。轮机的叶片、轴类、弹簧等零部件常因腐蚀疲劳而破坏。对对产产生生腐腐蚀蚀疲疲劳劳的的零零部部件件进进行行分分析析时时，发发现现其其裂裂纹纹多多为为穿穿晶晶性性的的，端端部部圆圆钝钝内内有有灰灰色腐蚀产物，断口为带有疲劳特征的脆性断面。色腐蚀产物，断口为带有疲劳特征的脆性断面。图图5 516 2016 20号钢省煤器管子腐蚀性热疲劳损坏的实物照片号钢省煤器管子腐蚀性热疲劳损坏的实物照片图图5 517 2017 20号钢省煤器管子腐蚀性热疲劳损坏的显微组织照片。号钢省煤器管子腐蚀性热疲劳损坏的
34、显微组织照片。12/22/202212/22/20222424电厂金属材料三、提高钢耐腐蚀性能的方法 提提高高钢钢耐耐腐腐蚀蚀性性能能的的方方法法:有有保保护护层层防防腐腐、阴阴极极保保护护、降降低低腐腐蚀蚀介介质质的的浓浓度度等等。最最根本的方法是根本的方法是在钢中加入合金元素以提高钢的抗氧化性能和抗电化学府蚀的能力。在钢中加入合金元素以提高钢的抗氧化性能和抗电化学府蚀的能力。加入合金元素后加入合金元素后,提高钢的耐腐蚀性能的途径主要有三个方面：提高钢的耐腐蚀性能的途径主要有三个方面：(1)(1)使钢的表面生成一层致密的氧化模。使钢的表面生成一层致密的氧化模。钢的抗氧化能力决定于氧化膜的致密
35、程度。钢的抗氧化能力决定于氧化膜的致密程度。实实践践证证明明，钢钢中中加加入入铬铬、硅硅、铝铝后后所所生生成成的的、是是比比较较致致密密的的，本本身身的的硬硬度度也也比比较较高高，能能隔隔绝绝金金属属与与氧氧接接触触避避免免钢钢继继犊犊按按腐腐蚀蚀，起起到到保保护护作作用用。这这三三种种元元素素中中以以铬铬的的影影响响最最大大，铬铬的的氧氧化化膜膜致致密程度最高，保护作用最好。密程度最高，保护作用最好。12/22/202212/22/20222525电厂金属材料(2)(2)提提高高钢钢的的电电极极电电位位。普普通通的的钢钢电电极极电电位位很很低低，抗抗电电化化学学解解蚀蚀的的能能力力差差。为为
36、了了提高钢的抗电化学腐蚀的能力必须提高钢的电极电位。提高钢的抗电化学腐蚀的能力必须提高钢的电极电位。实践近明：铬溶于钢中形成固溶体时，钢耐腐蚀性能可以大大提高。当含铬量超过实践近明：铬溶于钢中形成固溶体时，钢耐腐蚀性能可以大大提高。当含铬量超过117时，时，钢的电极电位有一突变，即由负变正，达到有较好的抗电化学腐蚀的能力。钢的电极电位有一突变，即由负变正，达到有较好的抗电化学腐蚀的能力。钢的含铬量对电极电位的影响。如图钢的含铬量对电极电位的影响。如图5-18所示。所示。12/22/202212/22/20222626电厂金属材料(3)(3)使使钢钢的的组组织织形形成成单单相相固固溶溶体体，如如
37、单单相相的的铁铁素素体体或或典典氏氏体体，能能进进一一步步提提高高抗抗电电化学腐蚀的能力。化学腐蚀的能力。为为了了形形成成单单相相的的铁铁素素体体，一一般般加加入入缩缩小小奥奥氏氏体体区区域域的的元元素素，如如铬铬、硅硅、钼钼、钛、铌等；钛、铌等；为为了了形形成成单单相相的的奥奥氏氏体体，一一般般加加入入扩扩大大奥奥氏氏体体区区域域的的元元素素，如如镍镍、锰锰、氮氮、铜铜等等。奥奥氏氏体体钢钢比比铁铁素素体体钢钢具具有有更更高高的的韧韧性性、较较好好的的塑塑性性及及冷冷变变形形能能力力，加加热热时晶粒长大倾向较小。时晶粒长大倾向较小。合合金金化化是是提提高高钢钢材材的的耐耐腐腐蚀蚀性性能能最最
38、根根本本的的方方法法，常常用用的的合合金金元元素素有有铬铬、镍镍、锰锰、氮、硅、钼、钛、铌、铜、钴等。氮、硅、钼、钛、铌、铜、钴等。12/22/202212/22/20222727电厂金属材料第三节 耐热钢的组织稳定性 钢钢材材在在高高温温下下长长期期工工作作时时，由由于于原原子子的的扩扩散散，其其组组织织结结构构也也要要发发生生变变化化。温温度度愈愈高高，高高温温下下运运行行的的时时间间愈愈长长，原原子子扩扩散散能能力力就就增增强强，钢钢的的组组织织结结构构变变化化也也就就愈愈大大。组组织织发发生生变变化化，必然引起机械性能的改变。必然引起机械性能的改变。12/22/202212/22/20
39、222828电厂金属材料一、碳化物的球化(一一)球化的概念及危害球化的概念及危害 碳碳化化物物的的球球化化是是指指珠珠光光体体中中的的碳碳化化物物由由片片状状逐逐渐渐转转变变成成球球状状，所所以以也也常常称称为为珠珠光光体的球化体的球化。图5-1 12Cr1MoV钢原始状态 700 图5-2 12Cr1MoV钢运行85672h后球化 1000 12/22/202212/22/20222929电厂金属材料球化过程球化过程包括碳化物包括碳化物从片状转化成球状和球状粒子长大两个过程从片状转化成球状和球状粒子长大两个过程。球球化化的的危危害害:钢钢中中的的碳碳化化合合物物球球化化后后，钢钢的的蠕蠕变变
40、极极限限和和持持久久强强度度会会下下降降。球球化化现象越严重，高温性能就越差。现象越严重，高温性能就越差。试验证明，试验证明，12Cr1MoV12Cr1MoV钢完全球化后，持久强度降低越三分之一。钢的持久强度下降钢完全球化后，持久强度降低越三分之一。钢的持久强度下降后，其承载能力就相应的减少。在火电厂中，因锅炉钢管严重球化所引起的爆管事后，其承载能力就相应的减少。在火电厂中，因锅炉钢管严重球化所引起的爆管事故，时有发生。故，时有发生。12/22/202212/22/20223030电厂金属材料（二）球化的原因（二）球化的原因球球光光体体中中片片状状渗渗碳碳体体表表面面积积较较大大，具具有有较较
41、大大的的表表面面能能量量，存存在在着着从从较较高高的的能能量量状状态态向向较较低低的的能能量量状状态态转转化化的的趋趋势势。在在常常温温或或温温度度较较低低时时，原原子子的的活活动动能能力力较较弱弱，一一般般不不能能完完成成上上述述的的转转变变，所所以以这这时时的的片片状状碳碳化化合合物物还还是是比比较较稳稳定定。但但是是，在在高高温温和和应应力力的的长长期期作作用用下下，原原子子的的活活动动能能力力增增强强，扩扩散散速速度度也也增增大大，碳碳化化物物从从片片状状向向球球状状的的转转化化便便具具备备了了条条件件。由由于于球球的的表表面面积积最最小小，因因而而它它的的表表面面能能量量也也最最小小
42、，所所以以片片状状碳碳化化物物就就向向球球状状转变。转变。电电厂厂用用钢钢引引起起球球化化的的原原因因，一一是是高高温温，二二是是高高温温下下工工作作的的时时间间长长。尤尤其其是当超温运行或工作温度经常上、下波动，会促进球化的产生和发展。是当超温运行或工作温度经常上、下波动，会促进球化的产生和发展。（三）球化的监督（三）球化的监督在在火火电电厂厂中中对对锅锅炉炉管管子子用用钢钢的的球球化化情情况况要要进进行行监监督督，特特别别是是我我国国部部分分电电厂厂高高温温高高压压蒸蒸汽汽管管道道的的运运行行时时间间已已经经达达到到或或超超过过了了设设计计的的使使用用年年限限，珠珠光光体体类类耐耐热热钢钢
43、球球化化现现象象已已较较为为普普遍遍，对对这这些些管管道道更更要要密密切切注注意意，定定期期的的检检查查球球化化的的发发展展情情况况。为为了了加加强强金金属属的的监监督督，已已经经编编制制了了球球化化级级别别标标准准，可可作作为为各各电电厂厂金金属属监监督督评评定定球球化化时时作参考。作参考。12/22/202212/22/20223131电厂金属材料二、石墨化在在高高温温和和应应力力长长期期作作用用下下，碳碳钢钢和和含含钼钼的的低低合合金金耐耐热热钢钢组组织织中中的的渗渗碳碳体体易易分解为铁和石墨，这个过程称为石墨化分解为铁和石墨，这个过程称为石墨化。Fe3C3FeC（石墨）（石墨）C C呈
44、游离状态聚集于钢中，由于石墨的强度和塑性几乎等于零，故游离状态的石墨析呈游离状态聚集于钢中，由于石墨的强度和塑性几乎等于零，故游离状态的石墨析出后，钢中便如出现了孔洞和裂缝，造成钢材内部应力集中，使钢材的硬度和塑性明出后，钢中便如出现了孔洞和裂缝，造成钢材内部应力集中，使钢材的硬度和塑性明显著下降，脆性增加。显著下降，脆性增加。国内外均发生过因石墨化而引起的爆管事故。国内外均发生过因石墨化而引起的爆管事故。12/22/202212/22/20223232电厂金属材料如如图图5-215-21所所示示。用用化化学学方方法法将将石石墨墨碳碳从从钢钢中中离离析析出出来来，所所贯贯彻彻到到的的石石墨墨碳
45、碳，其其颜颜 色色 如如 同同 焦焦 炭炭，有有 的的 呈呈 条条 状状，有有 的的 呈呈 粒粒 状状，大大 小小 不不 均均。钢钢材材料料的的化化学学成成分分对对石石墨墨化化的的影影响响最最大大，铝铝和和硅硅是是促促进进石石墨墨化化的的元元素素；铬铬、钛钛、铌铌、钒钒等等碳碳化化合合物物形形成成元元素素，可可以以有有效效地地阻阻止止产产生生石石墨墨化化，其其中中铬铬元元素素的的效效果果为最好。为最好。图5-3 20钢过热器管石墨化微观组织 12/22/202212/22/20223333电厂金属材料三、固溶体中合金元素的贫化在在高高温温和和应应力力的的长长期期作作用用下下，耐耐热热钢钢由由于
46、于原原子子扩扩散散能能力力增增加加，将将导导致致合合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配。金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配。合合金金元元素素重重新新分分配配的的特特点点是是：因因溶溶体体中中合合金金元元素素的的含含量量逐逐渐渐减减少少，而而碳碳化化物物中中合合金金元元素素的的含含量量逐逐渐渐增增加加，于于是是出出现现固固溶溶体体中中合合金金元元素素逐逐渐渐贫贫化化的现象。固溶体中合金元素贫化后，钢的蠕变极限和持久强度将要降低。的现象。固溶体中合金元素贫化后，钢的蠕变极限和持久强度将要降低。固固溶溶体体中中台台金金元元素素的的贫贫化化与与原原子子的的扩扩散散过过程程有有关关。若若钢钢中中加加
47、入入能能延延缓缓扩扩散散过过程程的的合合金金元元素素，就就能能提提高高固固溶溶体体的的稳稳定定性性，从从而而减减少少固固溶溶体体中中合合金金元元素素贫贫化化的的程程度度。钢钢中中若若加加入入强强碳碳化化物物形形成成元元素素钨钨、钒钒、铌铌、钛钛等等，就就能能起起到到稳定固溶体，阻碍钼和铬元素从固镕体中向碳化物迁移。稳定固溶体，阻碍钼和铬元素从固镕体中向碳化物迁移。12/22/202212/22/20223434电厂金属材料第四节 耐热钢中的合金元素及其作用钢材的耐热性能主要是通过合金化来达到的。钢材的耐热性能主要是通过合金化来达到的。所所谓谓合合金金化化，就就是是在在碳碳钢钢的的基基础础上上加
48、加入入可可以以提提高高热热稳稳定定性性和和热热强强性性的的合合金金元元素。素。最最常常用用的的合合金金元元素素是是铬铬、钼钼、钒钒、钨钨、钛钛、铌铌、硼硼、硅硅、稀稀土土元元素素等等。加加入入的的合合金金元元素素种种类类和和含含量量不不同同，钢钢的的组组织织和和耐耐热热性性能能就就不不一一样样，使使用用时时的的工工作作参数也就不同。参数也就不同。12/22/202212/22/20223535电厂金属材料一、一、耐热钢的强化原理耐热钢的耐热钢的高温强度主要取决于固溶体的强度、晶界强度和碳化物的强度高温强度主要取决于固溶体的强度、晶界强度和碳化物的强度。钢。钢中加入合金元素就是为零使这三者强化。
49、中加入合金元素就是为零使这三者强化。(一一)固溶体强化固溶体强化固固溶溶体体强强化化是是耐耐热热钢钢高高温温强强化化的的重重要要方方法法之之一一。低低合合金金耐耐热热钢钢管管的的组组织织是是以以固固溶溶体体为为基基体体的的。提提高高固固溶溶体体的的强强度度，增增加加固固溶溶体体的的组组织织稳稳定定性性，都都能能有有效效地提高耐热钢的高温性能。地提高耐热钢的高温性能。加入合金元素，以增加原子之间的结合力，可使固溶体强化。加入合金元素，以增加原子之间的结合力，可使固溶体强化。外来原子溶入固溶体使晶格畸变，也能提高强度；外来原子溶入固溶体使晶格畸变，也能提高强度；有有些些元元素素能能提提高高再再结结
50、晶晶温温度度，延延缓缓再再结结晶晶过过程程的的进进行行，从从而而组组织织的的稳稳定定性性，也同样能提高强度。也同样能提高强度。通常通常用于强化固溶体的合金元素有铬、钼、钨、锰、铌等用于强化固溶体的合金元素有铬、钼、钨、锰、铌等。12/22/202212/22/20223636电厂金属材料(二二)晶界强化晶界强化增增加加晶晶界界的的强强度度，是是提提高高耐耐热热钢钢高高温温强强度度需需要要研研究究的的重重要要课课题题之之一一。晶晶界界强强度度在在高高温温时时降降低低的的速速度度较较快快。晶晶界界强强度度降降低低后后，晶晶界界易易产产生生裂裂纹纹以以致致断断裂破坏。裂破坏。耐热钢中加入微量的硼或锆