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1、中国特种设备检测研究院 锅炉材料及损伤失效基础 中国特种设备检测研究院 钱 公 010-59068131 glbqian 一.锅炉材料常见基本组织 1.钢和铸铁 2.钢及铸铁中的几种基本组织 （1）铁素体：碳原子溶于体心立方Fe中形成的间隙 固溶体。以或F表示。 （2）渗碳体：晶体结构属正交系，化学式为Fe3C的金属 化合物，是钢和铁中常见的固相，在合金 钢中为合金渗碳体。 （3）奥氏体：碳原子溶于面心立方晶格Fe中所形成 的间隙固溶体，以A表示。 中国特种设备检测研究院 （4）珠光体：由铁素体和渗碳体所组成的机械混合物， 通常呈片层状相间分布，以P表示。 （5）索氏体：过冷奥氏体在60065
2、0左右分解所形 成的珠光体，其片层较薄，以S表示。 （6）屈氏体：过冷奥氏体在650550左右分解所形 成的珠光体，其片层极薄，以T表示。 （7）贝氏体：钢奥氏体化后，过冷到珠光体转变温度区 与Ms之间的中温区等温，或连续冷却通过 这个中温区时形成的组织。按照组织形式 和形成温度不同，分为上贝氏体和下贝氏 体。上贝氏体中铁素体呈羽毛状，羽毛之 间分布有片装和棒状的渗碳体。下贝氏体 为针状的铁素体上分布有大量的渗碳体。 贝氏体中的铁素体含有较多的（或过饱和 的）碳，以B表示。 中国特种设备检测研究院 （8）马氏体：钢中通过无扩散共格切变型转变所形成的 产物，以M表示。 （9）莱氏体：钢铁或高碳高
3、合金钢中由奥氏体（或其转 变产物）与碳化物（包括渗碳体）组成的 共晶组织，以L表示。 （10） 石墨：碳的一种同素异构体，晶体结构属于六方 晶系，是铸铁中常出现的固相，其空间形 态有片状、球状、团絮状、蠕虫状等。中 以片状对金属的危害最大。 中国特种设备检测研究院 二.金属在高温长期运行过程中的变化 （一）基本概念 1.金属的蠕变 在规定温度和恒应力作用下，材料塑性变形随时间而 增加的现象，称为蠕变。 2.金属的蠕变曲线 以蠕变变形量作为时间函数所绘制的曲线，称为蠕变 曲线。尽管不同的金属和合金在不同条件下所得到的蠕变 曲线不尽相同，但它们都有一定的共同特征，把这些共同 特征表示出来的蠕变曲线
4、就叫做典型蠕变曲线。典型蠕变 曲线见附图，它描述在恒定温度、恒定拉应力下金属的变 形随时间的变化规律。 中国特种设备检测研究院 中国特种设备检测研究院 典型蠕变曲线分为以下四个部分： （1） 瞬时伸长0O：它是加上应力的瞬间发生的。假如 外加应力超过金属在试验温度下的弹性极限，则这部分瞬 时伸长中既包括弹性变形，也包括塑性变形。 （2）蠕变第一阶段（曲线OA，即 I ）：蠕变速率随时 间逐渐降低期间称为蠕变第一阶段。这一阶段的蠕变是非 稳定的蠕变阶段，它的特点是开始蠕变速度较大，但随着 时间的推移，蠕变速度逐步减小，到A点，金属的蠕变速 度达到该应力和温度下的最小值并开始过渡到蠕变的第二 阶段
5、。由于这一阶段蠕变有着减速的特点，因此也把蠕变 第一阶段称为蠕变的减速阶段。 中国特种设备检测研究院 （3）蠕变的第二阶段（曲线AB ，即 II ）：蠕变速率恒定 的期间称为变的第二阶段。这一阶段的蠕变是稳定阶段的 蠕变，它的特点是蠕变以固定的但是对于该应力和温度下 是最小的蠕变速度进行，在蠕变曲线上表现为一具有 一 定倾斜角度的直线段。蠕变第二阶段又称为蠕变的等速阶 段或恒速阶段。 中国特种设备检测研究院 （4）蠕变的第三阶段（曲线BC ，即 III ）：蠕变速率 随时间逐渐增加的期间称为蠕变的第三阶段。当蠕变进行 到B点，随着时间的进行，蠕变以迅速增大的速度进行， 这是一种失稳 状态。直到
6、C点发生断裂。至此，整个蠕变 过程结束。由于蠕变第三阶段有蠕变不断加速的特点，所 以也被称为蠕变的加速阶段。 中国特种设备检测研究院 3.金属的蠕变极限 金属的蠕变极限是指在规定温度下使试样在规定时间 内产生的蠕变总伸长率或稳态蠕变速率不超过规定值的最 大应力，它表征金属材料抵抗蠕变变形的能力。 对于火力发电厂的高温金属部件，蠕变极限作以下具 体规定： 在 一 定 温 度 下，能 使钢 材 产 生 1107 毫米/毫米（或1105/时）的第二阶段蠕变速度的 应力，就 称为 该温度下1107 （或1105）的 蠕变极限。所用符号为 t1107 （或 t1105 ）。 在 一 定 温 度 下，能
7、使钢 材 在105小时工作时 间内发生1的总蠕变变形量的应力，就称为该温度下的 105小时变形1的蠕变极限。所用符号为 t1/105 中国特种设备检测研究院 4.金属的持久强度 金属的持久强度是指使用在规定的温度下达到规定的 试验时间而不致断裂的最大应力，表征金属材料抗高温蠕 变断裂的能力。 火力发电厂高温金属部件所用材料的持久强度一般可 表示为：在给定温度下，经105小时发生破坏（或断裂） 的应力。其常用符号为 t105 中国特种设备检测研究院 5.金属的持久塑性 金属的持久塑性是指材料在一定温度及恒定试验力作 用下的塑性变形。用蠕变或持久断裂后试样的延伸率和断 面收缩率表示。 持久断后延伸
8、率:持久试样断裂后，在室温下标距的 伸长与原始标距的百分比。 持久断后断面收缩率:持久试样断裂后，在室温下横 截面积最大缩减量与原始横截面积的百分比。 中国特种设备检测研究院 6.金属的松弛 在规定温度及初始变形或位移恒定的条件下，材料中 的应力随时间而减小的现象叫应力松弛。 中国特种设备检测研究院 （二）金属在高温长期运行过程中组织的变化 锅炉高温部件所用钢材在高温长期运行过程中发生 的组织性能变化主要有： 珠光体的球化和碳化物的聚集； 石墨化（仅限于不含铬的珠光体耐热钢）； 时效和新相的形成（如不锈钢中 相的形成等）； 热脆性； 合金元素在固溶体中和碳化物相之间的重新分配。 中国特种设备检
9、测研究院 1.珠光体的球化和碳化物的聚集 珠光体球化是指钢中片层状珠光体组织，在高温长期 应力作用下，珠光体中的片层状渗碳体（或碳化物），通 过原子扩散方式逐渐变成球状，并随时间的延长不断聚集 长大的现象。 球化后的碳化物继续增大自己的尺寸，使小直径的球 变成大直径的球，这就是碳化物的聚集。 一般来说，珠光体球化对钢的室温力学性能和耐热 性均有一定程度的影响，对于不同的钢，其影响程度不 一。 中国特种设备检测研究院 举例：20号钢球化评级 球化名称 球化级别 组织特征 未球化(原始态) 1级 球光体区域中的碳化物呈片状 倾向性球化 2级 珠光体区域中的碳化物开始分散， 珠光体形态明显 轻度球化
10、 3级 珠光体区域中的碳化物已分散， 并逐渐向晶界扩散，珠光体形态 尚明显 中度球化 4级 珠光体区域中的碳化物已明显分散，并 向晶界聚集，珠光体形态尚保留 完全球化 5级 珠光体形态消失，晶界及铁素体基体上 的球状碳化物已逐渐长大 中国特种设备检测研究院 中国特种设备检测研究院 2.石墨化 石墨化就是钢中的渗碳体分解成为游离碳，并以石墨 形式析出，在钢中形成石墨夹杂，使钢的脆性急剧增大的 现象。 碳钢和0.5Mo钢等不含铬的珠光体耐热钢在高温长 期运行过程中会产生石墨化的现象。 当钢中产生石墨化现象时，由于碳从渗碳体中析出成 为石墨，钢中渗碳体数量减少；另外，石墨在钢中割裂基 体，起裂纹作用
11、，而石墨本身强度又极低，因此，石墨化 对钢的强度有所影响。另外，石墨化对钢的室温冲击性能 也有一定的影响。 中国特种设备检测研究院 3.时效和新相的形成 时效过程是指工件经固溶处理或淬火后，在室温或高 于室温的适当温度下保温，以达到沉淀硬化目的的一种热 处理操作过程。耐热钢或耐热合金制的高温部件在长期运 行过程中，从过饱和固溶体内析出一些强化相质点而使金 属的性能（主要是力学性能和蠕变极限等）随时间发生变 化的现象，也称时效，它是固溶体脱溶过程或脱溶分解的 简称。 当耐热钢和耐热合金中的固溶体由于热处理时从高 温冷却较快或别的原因，使固溶于其中的合金元素来不及 析出时，就形成不稳定的过饱和固溶
12、体。在以后的运行中 就会发生时效。 中国特种设备检测研究院 4.热脆性 热脆性是指某些钢长时间停留在400550区间， 在冷却到室温后其冲击值显著下降的现象。 5.合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配 钢在高温长期作用下，不但会发生珠光体球化、石墨 化、时效等，钢中合金元素还会发生在固溶体和碳化物相 之间的重新分配过程。这一过程的发生是由于在高温下合 金元素原子活动能力的增加而产生的转移过程。 中国特种设备检测研究院 三.锅炉部件选材原则 1.高温部件钢材选用的原则 足够的蠕变极限、持久强度和持久塑性； 高温长期运行过程中较好的组织稳定性； 良好的工艺性能； 抗氧化性能高； 具有高的抗热疲
13、劳能力。 中国特种设备检测研究院 2.水冷壁管和省煤器管钢材选用的原则 应具有一定的室温强度和高温强度； 具有良好的抗热疲劳性能和供热性能； 具有良好的抗腐蚀性能，并要求耐磨损性能、工艺性 能好，尤其是焊接性能良好。 中国特种设备检测研究院 3.锅筒钢材选用的原则 应具有较高的屈服强度、抗拉强度； 曲强比不应太高； 缺口敏感性低； 抗疲劳性能良好； 良好的冲击韧性、高的断裂韧性和较低的时效敏感性 ， 且脆性转变温度较低； 具有一定的抗汽水腐蚀破坏的能力； 钢板应具备良好的塑性、冷变形性能及焊接性能； 钢板应具有良好的冶金质量。 中国特种设备检测研究院 4.螺栓钢材选用的原则 高温螺栓应采用抗松
14、弛性能高的材料； 高温螺栓用钢，应具有一定的持久强度和蠕变强度， 蠕变脆化倾向及蠕变缺口敏感性小，且具有良好的持 久塑性； 材料的组织性能稳定性好，回火脆性和热脆倾向小； 对于承受疲劳载荷的螺栓材料，还应具有较高的抗疲 劳和抗剪切的能力。 四.锅炉常用材料 锅炉安全技术监察规程材料章 中国特种设备检测研究院 五.高温部件寿命评估方法简介 1.等温线法 =k（t r）m 2. LM参数法 f（，T）= P（） P（）=T（C+lgt ） T1（C+lgt1）= T2（C+lgt2） lgt =（C0+C1lg+C2 lg2+ C3lg3+ C4lg4+）/T-C 中国特种设备检测研究院 3. 函数法 =1（1-e- 2t） +3（e- 4t-1） Lgi=ai+ biT+ci+diT 中国特种设备检测研究院 六.断裂力学基础 1.断裂力学 断裂力学是是从材料或构件中存在宏观裂纹这一点出 发，应用弹性力学和塑性力学理论，研究材料或构件中裂 纹产生和扩展的条件和规律的学科。简言之，是研究含裂 纹物体强度和裂纹扩展规律的一门学科。 常规设计准则：平均应力（或者强度理论计算的相应 应力）不超过许用应力值，而伸长率和冲击功不低于某些 规定值。 中国特种设备检
