火电厂常用金属材料课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,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,三、电厂,金属部件失效案例,电厂金属材料一、金属材料的性能及组织,1,一、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,一、金属材料的性能及组织1.物理性能,2,1.,物理性能,密度：某种物质单位体积的质量。钢的密度,7.8g/cm,3,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,1.物理性能,3,2.,化学性能,耐腐蚀性：金属材料抵抗空气、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,2. 化学性能,4,3.,机械性能,强度指标,塑性指标,硬度,冲击韧性,刚性,3.机械性能强度指标,5,3.1.,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,。,3.1.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,6,3.2,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。,3.2塑性指标塑性：是指材料断裂前承受塑性变形的能力。,7,3.3,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,3.3硬度硬度：金属材料抵抗更硬的物体压入其表面的能力。,8,3.4,冲击韧性,冲击韧性：表示材料抵抗冲击载荷的能力。用符号,a,k,表示，单位,J/cm,2,a,kU,；,表示,U,型缺口形状试样的冲击韧性。,a,kv,；,表示,V,型缺口形状试样的冲击韧性。,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a,9,3.5,刚性,刚性：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/m,2,，称吉帕,GPa,。,3.5刚性刚性：表示材料抵抗弹性变形的能力。,10,4.,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.金属材料的高温性能蠕变极限,11,4.1,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：,t,1x,10-5,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。,4.1 蠕变及蠕变极限蠕变：金属在一定温度和应力作用下，随着,12,4.2,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：,t,10,5,，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。,4.2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,13,4.3,持久塑性,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=(L,1,-L,0,)/L,O,X100%,，断面收缩率,Z=(F,0,-F,1,)/F,O,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%,。,4.3持久塑性持久塑性：金属材料在高温和应力的长期作用下断裂,14,4.4,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,4.4 热脆性热脆性：在高温和应力的长期作用下，钢的冲击韧性,15,4.5,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）,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,16,5.,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.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,17,5.1,珠光体的球化,在高温长期应力 作用下，珠光体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,5.1珠光体的球化在高温长期应力 作用下，珠光体组织中片状渗,18,5.2,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。,Fe,3,C,3Fe+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,5.2石墨化（碳钢、钼钢）定义：在高温长期应力作用下，刚中珠,19,5.4,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。,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,20,6.,金属部件的疲劳,疲劳断裂：指金属材料在强度极限以下，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,10,7,。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。,6.金属部件的疲劳疲劳断裂：指金属材料在强度极限以下，长期承,21,7.,金属部件的腐蚀,应力腐蚀,:,烟气腐蚀,蒸汽腐蚀,垢下腐蚀,7.金属部件的腐蚀应力腐蚀:,22,7.1.,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。,7.1.应力腐蚀应力腐蚀：金属在应力（拉应力或内应力）和腐蚀,23,7.2.,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。,7.2.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,24,7.3.,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，奥氏体钢最突出，工程上有待解决的问题。,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,25,7.4.,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。,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,26,8.,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。,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,27,二、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,二、电厂常用的金属材料1、碳钢,28,1.,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.碳钢碳钢：含碳量在0.02-2.11%的铁碳合金称为碳钢,29,1.1,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：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%,1.1 碳钢分类1、按钢中含碳量分类,30,1.2,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。,1.2碳素结构钢的牌号用途牌号：Q195、 Q215、 Q2,31,1.3.,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,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。,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,32,2.,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,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,33,3.,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,。,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。,34,4.,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.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,35,4.1,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。,4.1合金钢分类按化学成分分类：如锰钢、铬钢、硅钢、铬钼钢、,36,5.,耐热钢,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.耐热钢耐热钢：在高温下能够保持化学稳定性，叫做热稳定性，,37,5.1,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,5.1耐热钢分类珠光体耐热钢,38,5.2,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 15Cr1Mo1V 12Cr2MoWVTiB 10CrMo910(,德国牌号,) 25Cr2MoVA 20Cr1Mo1VTiB,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,39,5.3,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,),5.3 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,40,5.4,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 1Cr25Si2,5.4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。,41,5.5,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 0Cr18Ni11Ti,5.5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,42,6.,电厂动力设备主要零部件用钢,锅炉设备：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.电厂动力设备主要零部件用钢锅炉设备：炉内管（水冷壁、省煤,43,6.1,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,6.1锅炉管子、联箱用钢举例钢号用途举例20壁温450的,44,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。,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10CrMo910(德国钢号)壁温5,45,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,锅炉管子、联箱用钢举例1Cr19Ni11Nb壁温650的,46,6.2,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,6.2汽包用钢举例22g介质温度450低中压锅炉16Mn,47,6.3,螺栓用钢举例,35,温度,425,的螺栓、螺母,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。,6.3螺栓用钢举例35温度425的螺栓、螺母35CrMo,48,6.4,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叶轮、主轴、转子用钢举例40Cr工作温度400的叶,49,6.4,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1Cr13工作温度470的叶片2Cr1,50,6.4,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,6.4叶片用钢举例Cr14Ni18W2NbBCe工作温度6,51,