電站鍋爐材料和焊接知識(shí)-課件

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)金屬材料電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料電站鍋爐材料和焊接知識(shí)金屬材料電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材1電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料一、金屬學(xué)及熱處理基本知識(shí)?金屬學(xué)基本概念金屬學(xué)就是研究金屬和合金的性能與它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以及影響金屬與合金組織和性能的因素的一門科學(xué)。?鐵的幾種基本固態(tài)相

α鐵、β鐵、γ鐵、δ鐵。?在鋼中晶界的重要特性晶界比晶粒容易被腐蝕；晶界的熔點(diǎn)比晶粒低；當(dāng)金屬內(nèi)部發(fā)生相變時(shí)，晶界是優(yōu)先成核的部位；原子在晶界上擴(kuò)散比晶粒內(nèi)快；晶界對(duì)晶粒的滑移變形起阻礙作用，晶界不易產(chǎn)生塑性變形；晶界處容易聚集與晶粒元素不同的其他雜質(zhì)元素的原子。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料一、金屬學(xué)及熱處理基本知識(shí)2?等強(qiáng)溫度Tθ

晶界強(qiáng)度和晶粒強(qiáng)度相等時(shí)的溫度稱為等強(qiáng)溫度Tθ。?金屬材料的塑性變形及再結(jié)晶加工硬化：金屬在塑性變形后，金屬的強(qiáng)度和硬度會(huì)升高，塑性和韌性會(huì)降低，這種現(xiàn)象稱為加工硬化（或冷作硬化）。再結(jié)晶過程：當(dāng)溫度升高時(shí)，變形金屬的冷變形組織（被拉長(zhǎng)的晶粒）逐漸回復(fù)到原來的晶粒形狀，金屬性能恢復(fù)到原來的性能的過程稱為再結(jié)晶過程。?鋼中的幾種基本組織鐵素體：碳和其它合金元素在α鐵中的固溶體稱為鐵素體。以F表示。滲碳體：滲碳體是鐵和碳的化合物，或以化合物為基體的固溶體，以Fe3C表示。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?等強(qiáng)溫度Tθ電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料3奧氏體：奧氏體是碳和其它元素在γ鐵（面心立方晶格）中的固溶體，以A表示。珠光體：珠光體是鐵素體和滲碳體以彼此相間片層狀排列的機(jī)械混合物，以P表示。索氏體：索氏體即是片層較細(xì)的珠光體，以S表示。屈氏體（或托氏體）：屈氏體（或托氏體）即是片層極細(xì)的珠光體，以T表示。貝氏體：貝氏體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，按照組織形式和形成溫度不同，分為上貝氏體和下貝氏體。上貝氏體中鐵素體呈羽毛狀，羽毛之間分布有片裝和棒狀的滲碳體。下貝氏體為針狀的鐵素體上分布有大量的滲碳體。貝氏體中的鐵素體含有較多的（或過飽和的）碳，以B表示。馬氏體：碳在鐵素體中的過飽和固溶體，以M表示。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料奧氏體：奧氏體是碳和其它元素在γ鐵（面心立方晶格）中4萊氏體：萊氏體是一種機(jī)械混合物，在高溫時(shí)由奧氏體和滲碳體組成，在常溫時(shí)由奧氏體轉(zhuǎn)變得到的珠光體加滲碳體組成，以L表示。石墨：石墨是碳以六方柱狀形式的結(jié)晶狀態(tài)。石墨在鋼中的可以以三種形狀存在，即片狀（花瓣?duì)睿⒀┗?、球狀。其中以片狀?duì)金屬的危害最大。?鐵碳平衡圖平衡圖也叫相圖或狀態(tài)圖，是表示合金體系在平衡狀態(tài)時(shí)各相區(qū)溫度和成分極限的圖解。一般最常用的平衡圖是二元系的平衡圖。二元系的平衡圖以縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示合金的成分。知道了合金的成分和溫度，就可以在平衡圖上找到相應(yīng)的平衡狀態(tài)下的組織，并可用杠桿定律求出兩相區(qū)相的相對(duì)量。從平衡圖上也可以知道一定成分的合金在冷卻過程中相的變化。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料萊氏體：萊氏體是一種機(jī)械混合物，在高溫時(shí)由奧氏體和滲5鐵碳平衡圖是鐵和碳的二元系相圖。嚴(yán)格來說，鐵碳平衡圖應(yīng)當(dāng)是鐵和石墨的平衡圖。而我們應(yīng)用最多的是含碳量6.67％以下的富鐵部分平衡圖，而且是鐵和化合物Fe3C的一種平衡圖。因此，雖然鐵碳平衡圖有Fe－C和Fe－Fe3C兩種，但實(shí)際上都把Fe－Fe3C系的平衡圖稱為鐵碳平衡圖。包晶反應(yīng)：所謂包晶反應(yīng)即由一個(gè)固相和一個(gè)液相反應(yīng)成為一個(gè)固相的反應(yīng)。共晶反應(yīng)：所謂共晶反應(yīng)即由一個(gè)液相反應(yīng)成兩個(gè)固相的反應(yīng)。共析反應(yīng)：所謂共晶反應(yīng)即由一個(gè)固相反應(yīng)成兩個(gè)固相的反應(yīng)。杠桿定律：當(dāng)測(cè)定各相的相對(duì)量時(shí)，可先通過已知點(diǎn)做水平線，此水平線在該已知點(diǎn)和決定相成分的間的線段長(zhǎng)度與這些相的重量成反比。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料鐵碳平衡圖是鐵和碳的二元系相圖。嚴(yán)格6?鋼的熱處理正火:即是將鋼加熱到Ac3以上30～50℃，在此溫度停留一段時(shí)間后，將鋼在靜止空氣中冷卻的一種操作。正火目的：①、細(xì)化晶粒，改善鋼的力學(xué)性能，并可作為某些鋼（如20G鍋爐管）的最終熱處理。②、改善組織，以改善切削加工性能，并為淬火做組織準(zhǔn)備。淬火：即是把鋼加熱到臨界點(diǎn)（Ac3或Ac1）以上某一溫度，并在此溫度停留一段時(shí)間后，迅速冷卻，以得到不穩(wěn)定狀態(tài)組織的一種操作。鋼在淬火后一般得到的是馬氏體組織，但對(duì)高合金奧氏體鋼則淬火后為奧氏體組織。奧氏體鋼淬火也被稱為固溶處理或水韌處理。淬火目的：提高鋼的強(qiáng)度和硬度。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?鋼的熱處理電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料7回火：即是將淬火后的鋼加熱到低于Ac1的溫度，在此溫度停留一段時(shí)間后冷卻的一種操作?；鼗鹉康模孩?、得到較為穩(wěn)定的組織。②、減小或完全消除鋼淬火后存在于鋼中的應(yīng)力，降低淬火鋼的脆性，得到工件所需要的最后的性能。常見的回火類型：①、低溫回火回火溫度為150～250℃。目的：消除工件中的部分內(nèi)應(yīng)力，稍稍提高韌性，但仍使工件保持著高的淬火硬度。適用范圍：高碳鋼和合金鋼制造的刀具、量具等。②、中溫回火回火溫度為350～480℃。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料回火：即是將淬火后的鋼加熱到低于Ac1的溫度，在此8目的：使鋼具有較高的彈性和韌性。適用范圍：常用于彈簧和熱沖模。

③、高溫回火回火溫度為450～670℃（對(duì)碳鋼或低合金鋼）或更高溫度（對(duì)中、高合金鋼）。目的：完全消除內(nèi)應(yīng)力，回火后有足夠的強(qiáng)度和良好的韌性。適用范圍：廣泛用于電站主蒸汽管道焊口的焊后熱處理以及結(jié)構(gòu)鋼的最終熱處理。退火：鋼的退火可分為再結(jié)晶退火和退火兩種。再結(jié)晶退火：即是將冷加工后的工件加熱到Ac1以下溫度，使冷加工后的不穩(wěn)定的變形組織變?yōu)榉€(wěn)定的組織狀態(tài)。這種退火沒有相變發(fā)生。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料目的：使鋼具有較高的彈性和韌性。電9常見的退火類型：

①、完全退火完全退火是將鋼加熱到Ac3以上，使鋼全部變成奧氏體的工藝。目的：細(xì)化晶粒，改善鋼的力學(xué)性能或?yàn)榇慊鹱鹘M織準(zhǔn)備；降低鋼的硬度以利于加工；消除內(nèi)應(yīng)力。適用范圍：亞共析鋼和共析鋼組織的碳鋼及合金鋼鑄件和鍛件。如汽輪機(jī)氣缸25鋼鑄件在鑄造后即采用完全退火。

②、不完全退火不完全退火與完全退火不同，其加熱溫度較低，為Ac1＋（20~30℃），在此溫度加熱保溫后緩慢冷卻。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料常見的退火類型：電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料10目的：降低鋼的硬度，改善切削性能，并為淬火作組織準(zhǔn)備。適用范圍：主要用于過共析鋼、合金工具鋼及軸承鋼。這些鋼均是含碳量較高的鋼，在不完全退火的加熱溫度下，其組織為奧氏體加二次滲碳體（對(duì)合金鋼為碳化物）。之所以不采用完全退火工藝的原因在于，如采用完全退火，鋼中所有含碳量均會(huì)溶于奧氏體中，導(dǎo)致奧氏體含碳量的含碳量提高，穩(wěn)定性加大。如要獲得均勻的退火組織，其冷卻速度必須很慢。這樣將大為延長(zhǎng)退火時(shí)間，對(duì)生產(chǎn)不利。另外，對(duì)這些剛采用不完全退火，可使二次滲碳體易于成為球狀，對(duì)降低鋼的硬度并為淬火組織準(zhǔn)備更為有利。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料目的：降低鋼的硬度，改善切削性能，11③、擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火即是將鋼加熱到很高的溫度，通常為Ac3以上200℃左右，保溫較長(zhǎng)時(shí)間，然后緩慢冷卻。目的：使鋼的成分均勻。適用范圍：高合金鋼錠或鑄件。④、等溫退火等溫退火即是把鋼加熱到臨界點(diǎn)以上溫度，使其轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，并保溫一段時(shí)間使奧氏體均勻后，冷卻到預(yù)定溫度，并在該溫度下保溫一段時(shí)間，使奧氏體等溫分解成珠光體的熱處理工藝。等溫退火的加熱溫度與完全退火的加熱溫度一樣。二者不同之處在于冷卻方式。這種退火方式可以說是完全退火的特殊形式。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料③、擴(kuò)散退火電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料12目的：組織均勻，硬度較低。適用范圍：合金鋼。⑤、球化退火球化退火即是將鋼按照完全退火的加熱速度加熱到Ac1＋（20~30℃），保溫后，再按照每小時(shí)20~50℃的速度降至該鋼Ar1以下一個(gè)溫度，并在這個(gè)溫度保溫較長(zhǎng)時(shí)間，最后隨爐冷致450~500℃左右出爐，再在空氣中冷卻的工藝。通過這種退火后，珠光體中的滲碳體及鋼中的二次滲碳體均為球狀，故稱為球化退火。目的：降低硬度，以便于加工，并使鋼中的滲碳體變?yōu)榍驙?，以為淬火作好組織準(zhǔn)備。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料目的：組織均勻，硬度較低。電站鍋爐材料和焊接13二、金屬在高溫長(zhǎng)期運(yùn)行過程中的變化

?金屬的蠕變金屬在高溫下，即使其所受的應(yīng)力低于金屬在該溫度的屈服點(diǎn)，在這樣的應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，也會(huì)發(fā)生緩慢的但是連續(xù)的塑性變形，這樣的一種現(xiàn)象稱為蠕變現(xiàn)象，所發(fā)生的變形稱為蠕變變形（或蠕脹）。?金屬的蠕變曲線蠕變現(xiàn)象通常用畫在“變形－時(shí)間”坐標(biāo)上的曲線來表示，這種曲線稱為蠕變曲線。盡管不同的金屬和合金在不同條件下所得到的蠕變曲線不盡相同，但它們都有一定的共同特征，把這些共同特征表示出來的蠕變曲線就叫做典型蠕變曲線。典型蠕變曲線見附圖，它描述在恒定溫度、恒定拉應(yīng)力下金屬的變形隨時(shí)間的變化規(guī)律。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料二、金屬在高溫長(zhǎng)期運(yùn)行過程中的變化電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金14典型蠕變曲線分為以下四個(gè)部分：

⑴、瞬時(shí)伸長(zhǎng)0O’它是加上應(yīng)力的瞬間發(fā)生的。假如外加應(yīng)力超過金屬在試驗(yàn)溫度下的彈性極限，則這部分瞬時(shí)伸長(zhǎng)中既包括彈性變形，也包括塑性變形。⑵、蠕變第一階段（曲線O’A，即I），這一階段的蠕變是非穩(wěn)定的蠕變階段，它的特點(diǎn)是開始蠕變速度較大，但隨著時(shí)間的推移，蠕變速度逐步減小，到A點(diǎn)，金屬的蠕變速度達(dá)到該應(yīng)力和溫度下的最小值并開始過渡到蠕變的第二階段。由于這一階段蠕變有著減速的特點(diǎn)，因此也把蠕變第一階段稱為蠕變的減速階段。⑶、蠕變的第二階段（曲線AB，即II），這一階段的蠕變是穩(wěn)定階段的蠕變，它的特點(diǎn)是蠕變以固定的但是對(duì)于該應(yīng)力和溫度下是最小的蠕變速度進(jìn)行，在蠕變曲線上表現(xiàn)為一具有一定傾斜角度的直線段。蠕變第二階段又稱為蠕變的等速階段或恒速階段。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料典型蠕變曲線分為以下四個(gè)部分：電站鍋爐材料和焊接知識(shí)15⑷、蠕變的第三階段（曲線BC，即III），當(dāng)蠕變進(jìn)行到B點(diǎn)，隨著時(shí)間的進(jìn)行，蠕變以迅速增大的速度進(jìn)行，這是一種失穩(wěn)狀態(tài)。直到C點(diǎn)發(fā)生斷裂。至此，整個(gè)蠕變過程結(jié)束。由于蠕變第三階段有蠕變不斷加速的特點(diǎn)，所以也被稱為蠕變的加速階段。

一般認(rèn)為，在正常的使用條件下，高溫金屬部件的使用期限應(yīng)當(dāng)在蠕變第三階段發(fā)生以前。長(zhǎng)期以來，人們總是把蠕變第二階段終了時(shí)的蠕變變形量作為金屬在使用時(shí)的極限變形量。但考慮到蠕變第三階段的時(shí)間與總的時(shí)間相比，占的比例較大，因此，對(duì)于電站的某些高溫部件，例如主蒸汽管道，它們的允許變形量并不受外界條件的限制（與某些部件因機(jī)械結(jié)構(gòu)的公差的限制不允許變形量很大是有區(qū)別的），而是由金屬本身的變性能力所支配，對(duì)于這樣的高溫金屬部件，認(rèn)為它們只能使用到第二階段終了時(shí)的看法是值得商榷的。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料⑷、蠕變的第三階段（曲線BC，即III），當(dāng)蠕變進(jìn)16?金屬的蠕變極限金屬的蠕變極限是這樣一個(gè)應(yīng)力，在這個(gè)應(yīng)力下，金屬在一定溫度下于規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定的總的塑性變形量；或者在這個(gè)應(yīng)力下，金屬在某一溫度下引起規(guī)定的蠕變速度。對(duì)于火力發(fā)電廠的高溫金屬部件，蠕變極限作以下具體規(guī)定：

⑴、在一定溫度下，能使鋼材產(chǎn)生1×10－7毫米/毫米?時(shí)（或1×10－5％/時(shí)）的第二階段蠕變速度的應(yīng)力，就稱為該溫度下1×10－7（或1×10－5％）的蠕變極限。所用符號(hào)為б

t1×10－7（或б

t1×10－5）。

⑵、在一定溫度下，能使鋼材在105小時(shí)工作時(shí)間內(nèi)發(fā)生1％的總?cè)渥冏冃瘟康膽?yīng)力，就稱為該溫度下的105小時(shí)變形1％的蠕變極限。所用符號(hào)為б

t1/105

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?金屬的蠕變極限電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料17?金屬的持久強(qiáng)度金屬材料的持久強(qiáng)度和蠕變極限一樣，是評(píng)定在高溫和應(yīng)力下長(zhǎng)期使用的部件金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)。由于金屬持久強(qiáng)度試驗(yàn)一直要進(jìn)行到試樣的斷裂，所以它可以反映金屬材料在高溫長(zhǎng)時(shí)斷裂時(shí)的強(qiáng)度和塑性。金屬的持久強(qiáng)度是指在給定溫度下經(jīng)過一定時(shí)間破壞時(shí)所能承受的應(yīng)力。金屬的持久強(qiáng)度也稱持久強(qiáng)度極限?；鹆Πl(fā)電廠高溫金屬部件所用材料的持久強(qiáng)度一般可表示為：在給定溫度下，經(jīng)105小時(shí)發(fā)生破壞（或斷裂）的應(yīng)力。其常用符號(hào)為б

t105

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?金屬的持久強(qiáng)度電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料18?金屬的松弛金屬在高溫和應(yīng)力狀態(tài)下，如維持總變形不變，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛。松弛過程可以用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示，當(dāng)溫度為常數(shù)時(shí)：

ε0＝

εp＋

εe＝常數(shù)式中：ε0－松弛開始時(shí)金屬所具有的開始的總變形；

εp－塑性變形

εe－彈性變形松弛過程中，ε0＝常數(shù)，εp

≠常數(shù)，εe

≠常數(shù)。即由于總變形量不變，而其中的彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，因而零件中的?yīng)力隨時(shí)間而降低。因此，金屬的松弛過程就是金屬在高溫下彈性變形自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃蔚倪^程。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?金屬的松弛電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料19?金屬在高溫長(zhǎng)期運(yùn)行過程中組織的變化無論奧氏體鋼或珠光體鋼，在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行，不但會(huì)發(fā)生蠕變、斷裂和應(yīng)力松弛等形變過程，而且還會(huì)發(fā)生一些組織和性能的變化。鍋爐、汽輪機(jī)高溫部件所用鋼材在高溫長(zhǎng)期運(yùn)行過程中發(fā)生的組織性能變化主要有：珠光體的球化和碳化物的聚集；石墨化（僅限于不含鉻的珠光體耐熱鋼）；時(shí)效和新相的形成（如不銹鋼中б相的形成等）；熱脆性；合金元素在固溶體中和碳化物相之間的重新分配。等等。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?金屬在高溫長(zhǎng)期運(yùn)行過程中組織的變化電站鍋爐材料和焊接知識(shí)20?珠光體的球化和碳化物的聚集這是所有珠光體耐熱鋼最常見的組織變化。珠光體球化是指鋼中原來的珠光體中的片層狀滲碳體（在合金鋼中稱合金滲碳體或碳化物）在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行，逐步改變自己的形狀而成為球狀的現(xiàn)象。球化后的碳化物繼續(xù)增大自己的尺寸，使小直徑的球變成大直徑的球，這就是碳化物的聚集。?珠光體的球化對(duì)鋼的性能的影響一般來說，珠光體球化對(duì)鋼的室溫力學(xué)性能和耐熱性均有一定程度的影響，對(duì)于不同的鋼，其影響程度不一。⑴、珠光體球化會(huì)使鋼的室溫強(qiáng)度極限和屈服點(diǎn)降低。⑵、珠光體球化會(huì)使鋼的蠕變極限和持久強(qiáng)度降低。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?珠光體的球化和碳化物的聚集電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材21?石墨化石墨化就是鋼中的滲碳體分解成為游離碳并以石墨形式析出，在鋼中形成石墨夾層的現(xiàn)象。碳鋼和0.5％Mo鋼等不含鉻的珠光體耐熱鋼在高溫長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生石墨化的現(xiàn)象。?石墨化對(duì)鋼的性能的影響當(dāng)鋼中產(chǎn)生石墨化現(xiàn)象時(shí)，由于碳從滲碳體中析出成為石墨，鋼中滲碳體數(shù)量減少；另外，石墨在鋼中割裂基體，起裂紋作用，而石墨本身強(qiáng)度又極低，因此，石墨化對(duì)鋼的強(qiáng)度有所影響。另外，由于鋼的室溫沖擊性能也有一定的影響。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?石墨化電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料22?時(shí)效和新相的形成耐熱鋼或耐熱合金的時(shí)效過程是指它們?cè)陂L(zhǎng)期運(yùn)行過程中，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移而從組織中過飽和固溶體內(nèi)析出一些強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)而使金屬的性能隨時(shí)間發(fā)生變化的現(xiàn)象。當(dāng)耐熱鋼和耐熱合金中的固溶體由于熱處理時(shí)從高溫冷卻較快或別的原因，使固溶于其中的合金元素來不及析出時(shí)，就形成不穩(wěn)定的過飽和固溶體。在以后的運(yùn)行中就會(huì)發(fā)生時(shí)效。時(shí)效可分為三個(gè)階段。第一階段是時(shí)效過程在金屬晶格內(nèi)的準(zhǔn)備階段，它僅有一些物理性能如電阻等的變化，在此階段鋼和合金的強(qiáng)度和硬度幾乎不發(fā)生變化；第二階段在組織上析出了分散的強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)，使鋼的強(qiáng)度、硬度和蠕變極限提高，并使塑性、韌性降低；在時(shí)效隨第三階段，是這些析出的分散相的聚集。由于這些細(xì)小的、分散的質(zhì)點(diǎn)聚集成大的質(zhì)點(diǎn)，因而強(qiáng)化作用消失，強(qiáng)度、硬度降低，同時(shí)，蠕變極限和持久強(qiáng)度也顯著降低。時(shí)效過程也就是新相形成的過程，因?yàn)槲龀龅姆稚⑾嘁簿褪窃诮饘僦行纬傻男孪唷?/p>

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?時(shí)效和新相的形成電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料23?合金元素在固溶體和碳化物相之間的重新分配鋼在高溫長(zhǎng)期作用下，不但會(huì)發(fā)生珠光體球化、石墨化、時(shí)效等，鋼中合金元素還會(huì)發(fā)生在固溶體和碳化物相之間的重新分配過程。這一過程的發(fā)生是由于在高溫下合金元素原子活動(dòng)能力的增加而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移過程。目前，火力發(fā)電廠用的最多的是珠光體耐熱鋼和馬氏體耐熱鋼。在這些鋼中，歸根到底只有兩種相：固溶體和碳化物。鋼中的合金元素不是存在于固溶體中，就是存在于碳化物中。當(dāng)形成固溶體時(shí)，合金元素的原子是要溶入到鐵的晶格中去的。合金元素的原子直徑是與鐵原子的直徑不同的，因而形成固溶體時(shí)要產(chǎn)生晶格畸變，有畸變的晶格是不穩(wěn)定的。因此，在高溫長(zhǎng)期作用下，只有溫度水平能使合金元素原子有充分的活動(dòng)能力，它就力求從固溶體中出來轉(zhuǎn)移到較為穩(wěn)定的碳化物中去。這種過程也叫做固溶體的貧化。固溶體的貧化會(huì)使鋼的強(qiáng)度、蠕變極限和持久強(qiáng)度下降。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?合金元素在固溶體和碳化物相之間的重新分配電站鍋爐材料和24合金元素在固溶體和碳化物相之間的重新分配過程包括兩個(gè)方面：一為固溶體、碳化物中合金含量的變化（即稱為碳化物成分的變化），二為運(yùn)行過程中同時(shí)發(fā)生的碳化物結(jié)構(gòu)類型、數(shù)量和發(fā)布形式的變化。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料合金元素在固溶體和碳化物相之間的重25三、金屬力學(xué)性能試驗(yàn)基本知識(shí)

金屬材料的力學(xué)性能是金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特性，如彈性、強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性等。不同的受力條件會(huì)使金屬材料表現(xiàn)出不同的特性，如靜力拉伸力作用下金屬材料的強(qiáng)度和塑性特性，動(dòng)力負(fù)荷即沖擊負(fù)荷下金屬材料所表現(xiàn)出來的韌性特性指標(biāo)等。?靜力試驗(yàn)下的力學(xué)性能靜力試驗(yàn)的意義是，向試樣上加力（負(fù)荷、載荷）的速度是緩慢而均勻的，或者是以固定不變的力加在試樣上并保持很長(zhǎng)的時(shí)間。顯然，在靜力試驗(yàn)時(shí)，試樣的變形速度不大。?拉伸試驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)時(shí)，可以得到以下力學(xué)性能的指標(biāo)：電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料三、金屬力學(xué)性能試驗(yàn)基本知識(shí)電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料26

⑴、抵抗微小的塑性變形的能力這種性能常常用比例極限бp和屈服點(diǎn)бs來說明。

⑵、抵抗大的塑性變形的能力這種性能常常用強(qiáng)度極限бb來說明。

⑶、塑性試樣在斷裂時(shí)的塑性變形的大小，這種性能常常用延伸率δ和斷面收縮率Ψ來說明。?拉伸曲線在對(duì)金屬拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，可以得到一條畫在負(fù)荷－伸長(zhǎng)量坐標(biāo)上的曲線，這就是拉伸曲線。圖中負(fù)荷與伸長(zhǎng)量之間能保持直線關(guān)系的最大負(fù)荷稱為比例極限負(fù)荷Pp；金屬能保持虎克定律的最大負(fù)荷稱為彈性極限負(fù)荷Pe（比例極限負(fù)荷和彈性極限負(fù)荷在位置上非常接近）；Ps稱為屈服負(fù)荷，金屬在這個(gè)負(fù)荷下開始屈服（即不增加負(fù)荷，變形也能自動(dòng)增加）；PB稱為最大負(fù)荷;PZ稱為斷裂負(fù)荷。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料⑴、抵抗微小的塑性變形的能力電站鍋爐材料和焊接知27拉伸試驗(yàn)時(shí)的力學(xué)性能指標(biāo)：

⑴、比例極限бp

是指應(yīng)力和相對(duì)伸長(zhǎng)成正比例的最大應(yīng)力。

⑵、彈性極限бe是指在不產(chǎn)生永久塑性變形的前提下，金屬材料所能承受的最大應(yīng)力。在工程上規(guī)定，彈性極限是使試樣產(chǎn)生0.001～0.05%永久變形的應(yīng)力。

⑶、屈服點(diǎn)бs

是指不增加負(fù)荷而使試樣變形增加的最小應(yīng)力。

有時(shí)，在低碳鋼做拉伸試驗(yàn)時(shí)，在拉伸曲線上屈服時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷作鋸齒狀的一段臺(tái)階，可分別用上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)表示。如不特別指明，應(yīng)認(rèn)為上屈服點(diǎn)是屈服點(diǎn)。很多的金屬或合金，在拉伸曲線上無明顯的屈服平臺(tái)。在工程上規(guī)定，一般將使試樣產(chǎn)生0.2%永久變形的應(yīng)力作為屈服點(diǎn)，以б0.2表示。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料拉伸試驗(yàn)時(shí)的力學(xué)性能指標(biāo)：電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－28

⑷、強(qiáng)度極限бb試驗(yàn)斷裂前最大負(fù)荷與原始截面積之比。

⑸、真實(shí)抗斷抗力бZ試驗(yàn)拉斷時(shí)的負(fù)荷與拉斷時(shí)的試樣最小截面積之比。

⑹、延伸率δ試樣拉斷后的伸長(zhǎng)量與原始計(jì)算長(zhǎng)度之比。

⑺、斷面收縮率試樣拉斷后的截面積最大收縮量與原始截面積之比。?硬度所謂金屬的硬度是指金屬抵抗其它比較堅(jiān)硬物體壓入的能力。這種堅(jiān)硬的壓入物通常是不發(fā)生變形的。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料⑷、強(qiáng)度極限бb電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料29按照試驗(yàn)時(shí)所用方法的不同，可將硬度測(cè)定方法分為：壓入法：試驗(yàn)金屬對(duì)塑性變形的抵抗能力；劃痕法：試驗(yàn)金屬對(duì)于阻礙斷裂的抵抗能力；彈性回跳法：試驗(yàn)金屬對(duì)彈性變形的抵抗能力。?我國(guó)常用的幾種硬度檢測(cè)方法

⑴、布氏法布氏硬度是將一定直徑的淬火鋼球在一定負(fù)荷下壓入金屬的表面。則布氏硬度為壓入負(fù)荷與壓痕球形面積之比。布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：由于壓痕較大，測(cè)得的數(shù)據(jù)較為精確；另外，由于布氏硬度的實(shí)質(zhì)也是表示對(duì)變形的抗力，故它與金屬?gòu)?qiáng)度極限之間存在一定的關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，此關(guān)系表示為：

бb＝KHB式中K為常數(shù)電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料按照試驗(yàn)時(shí)所用方法的不同，可將硬度測(cè)定方法分為：電站鍋30布氏硬度的缺點(diǎn)：鋼球一定不高，不能測(cè)量硬度超過HB450的金屬；其另一缺點(diǎn)為：壓痕面積大，損傷表面，以及不能測(cè)量薄試樣的硬度。⑵、洛氏硬度將一定負(fù)荷加于一頂角為120o的金剛石圓錐（用于硬的金屬）或直徑為1.59毫米的淬火鋼球（用于軟的金屬），使其壓入金屬表面，測(cè)量其壓入深度來得到洛氏硬度。洛氏硬度與布氏硬度的不同在于，洛氏硬度在前后兩次施加載荷（初負(fù)荷及總負(fù)荷）的作用下將壓頭壓入金屬表面，并在去掉主負(fù)荷，留下初負(fù)荷讓其繼續(xù)作用的情況下計(jì)算其壓入深度。布氏硬度則是在去掉所有負(fù)荷后測(cè)量其壓痕直徑。洛氏硬度可用來測(cè)量最硬的金屬或合金的硬度；由于測(cè)量后在工件表面留下的壓痕不大，不至于破壞工件表面，為此可用來測(cè)量成品工件及薄的試件。但由于壓痕太小，所以測(cè)量精度不高。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料布氏硬度的缺點(diǎn)：鋼球一定不高，不能31

⑶、維氏法維氏硬度是用一相對(duì)兩面夾角為136o的金剛石正四棱錐形壓頭，在一定負(fù)荷的作用下，壓入被測(cè)金屬表面。經(jīng)過規(guī)定的保持負(fù)荷時(shí)間后，卸除負(fù)荷，測(cè)量其壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度的平均值，然后查表或帶入公式求得硬度值。維氏硬度所采用的負(fù)荷小，壓痕小，適用于金屬、合金及其表面層的硬度測(cè)量。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料⑶、維氏法電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料32?動(dòng)力試驗(yàn)下的力學(xué)性能?沖擊韌性沖擊韌性表示金屬材料對(duì)沖擊負(fù)荷的抵抗能力，它是衡量材料韌性的指標(biāo)?？梢哉J(rèn)為，沖擊韌性是綜合性地概括了材料的塑性性能和強(qiáng)度性能。沖擊韌性ak等于撞斷帶缺口的標(biāo)準(zhǔn)方形截面試樣在其單位面積上所消耗的功。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?動(dòng)力試驗(yàn)下的力學(xué)性能電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料33電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接電站鍋爐材料和焊接知識(shí)焊接電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接電站鍋爐材料和焊接知識(shí)焊接34?焊接基本概念?焊接兩種或兩種以上的材料（同種或異種）通過原子之間或分子之間的結(jié)合和擴(kuò)散而造成的永久性聯(lián)接的工藝過程叫做焊接。?焊接的分類按照焊接過程中金屬所處狀態(tài)的不同，可以把焊接方法分為三大類：

⑴、熔焊熔焊是把要聯(lián)接的金屬加熱到熔化狀態(tài)，再加入（或不加入）填充金屬而結(jié)合的方法。它是最有利于金屬原子間結(jié)合的方法。如氣焊、電弧焊、氣體保護(hù)電弧焊等都屬于熔焊。

⑵、壓焊壓焊是利用焊接時(shí)所施加的壓力使接觸處的金屬相結(jié)合的方法。這類焊接有兩種形式。一是將被焊金屬局部加熱至塑性狀態(tài)電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接?焊接基本概念電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接35或半熔化狀態(tài)，再施加一定的壓力，以使金屬原子間相互結(jié)合形成牢固的接頭。如鍛焊、接觸焊、摩擦焊等。二是不進(jìn)行加熱，僅在被焊金屬的接觸面施加足夠大的壓力，借助壓力所引起的塑性變形，以使原子間相互接近而獲得牢固的壓擠接頭，如冷壓焊、爆炸焊等。這種方法只適用于塑性變形相當(dāng)好的金屬材料。

⑶、鉛焊鉛焊是把比被焊金屬熔點(diǎn)低的鉛料金屬熔化至液態(tài)，然后使其滲透到被焊金屬間隙而達(dá)到結(jié)合的方法。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接或半熔化狀態(tài)，再施加一定的壓力，以使金屬原子間相互36?鍋爐常用的焊接方法簡(jiǎn)介?埋弧自動(dòng)焊埋弧自動(dòng)焊也稱為“熔劑層下自動(dòng)焊”，電弧是在焊劑（熔劑）層下面燃燒的。自動(dòng)焊機(jī)頭將焊絲自動(dòng)送入電弧區(qū)保證選定的弧長(zhǎng)，電弧靠焊機(jī)控制均勻地向前移動(dòng)。在焊絲前面，焊劑從漏斗中不斷流出撒在工件表面上。焊后，部分焊劑稱為渣殼覆蓋于焊縫表面，大部分未熔化的焊劑可回收重新使用。埋弧自動(dòng)焊與手工電弧焊比較有以下優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)率高；焊接質(zhì)量高且穩(wěn)定；節(jié)省金屬和能源；改善勞動(dòng)條件。常用來焊接長(zhǎng)的直線焊縫和鍋筒等大直徑筒體的環(huán)焊縫。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接?鍋爐常用的焊接方法簡(jiǎn)介電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接37?氬弧焊手工電弧焊和埋弧自動(dòng)焊主要是以渣來保護(hù)熔化金屬的，對(duì)于一般的結(jié)構(gòu)鋼，只要選擇合適的焊接材料與焊接規(guī)范，仔細(xì)進(jìn)行操作，是能夠保證焊接接頭質(zhì)量的。但渣中常含有一定量的氧化物質(zhì)，當(dāng)用來焊接合金鋼等材料時(shí)，常使合金鋼中的一些有用焊劑元素?zé)g，因此改變了材料的性能，降低了焊接接頭的質(zhì)量，為解決此類問題，利用氣體保護(hù)的電弧焊接方法有了較大的發(fā)展。在鍋爐行業(yè)應(yīng)用最多的是氬弧焊。氬弧焊是以氬氣作為保護(hù)氣體的一種電弧焊接方法，電弧發(fā)生在電極與焊件之間。在電弧周圍通以氬氣，以形成保護(hù)電弧和熔池的連續(xù)封閉的氣流。氬氣可以保護(hù)電極和熔化金屬不受空氣的有害作用，在高溫情況下，氬氣和金屬不起任何化學(xué)反應(yīng)，也不溶于金屬，因此，氬弧焊的焊接質(zhì)量比較高。氬弧焊與用渣保護(hù)的焊接方法比較，有以下特點(diǎn)：可用來焊接各類合金鋼，焊接質(zhì)量好；電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接?氬弧焊電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接38電弧和熔池區(qū)是氣體保護(hù)，明火可見，便于操作；熔池小，焊接速度快，熱影響區(qū)較小，焊后變形?。浑娀》€(wěn)定，飛濺小，焊縫致密，表面無熔渣，成型美觀；產(chǎn)生裂紋的傾向小。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接電弧和熔池區(qū)是氣體保護(hù)，明火可見，便于操作；電站39?電渣焊電渣焊是利用電流通過液態(tài)熔渣所產(chǎn)生的電阻熱作為熱源來進(jìn)行焊接的。一般在垂直立焊位置進(jìn)行焊接。電渣焊開始時(shí)，先在焊絲和引弧板之間產(chǎn)生電弧，電弧熱使電弧周圍的焊接熔化成液態(tài)熔渣，待液態(tài)熔渣達(dá)到一定深度形成渣池后，電弧熄滅，此時(shí)由電弧焊轉(zhuǎn)換為電渣焊。電渣焊主要用于中等厚度工件的直焊縫以及環(huán)形焊縫的焊接。和其它焊接方法比較，電渣焊有以下特點(diǎn)：大厚度工件可一次焊成。生產(chǎn)率高，焊材消耗少。焊縫質(zhì)量比較好；用電渣焊一次焊成大厚度工件時(shí)，焊接速度相對(duì)較慢，焊縫區(qū)在高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，這對(duì)焊接易淬火鋼是有利的。但高溫停留時(shí)間過長(zhǎng)，使熱影響區(qū)變寬，晶粒粗大，易產(chǎn)生過熱組織，因此近電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接?電渣焊電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接40縫區(qū)機(jī)械性能有一定的下降。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接縫區(qū)機(jī)械性能有一定的下降。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接41?常見焊接缺陷焊接過程中，由于多種原因，往往會(huì)在焊接接頭區(qū)域產(chǎn)生各種焊接缺陷?，F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹常見的一些焊接缺陷。1、裂紋裂紋按照其產(chǎn)生部位不同，可分為縱向裂紋、橫向裂紋、根部裂紋、弧坑裂紋、熔合區(qū)裂紋以及熱影響區(qū)裂紋等；按照其產(chǎn)生的溫度和時(shí)間的不同又可分為熱裂紋（包括結(jié)晶裂紋和熱影響區(qū)液化裂紋等）、冷裂紋（包括氫致裂紋和層狀撕裂等）以及再熱裂紋。⑴、熱裂紋熱裂紋經(jīng)常發(fā)生在焊縫中，有時(shí)也出現(xiàn)在熱影響區(qū)。焊縫中的縱向熱裂紋一般發(fā)生焊道中心，與焊縫長(zhǎng)度方向平行，焊縫中的橫向熱裂紋一般沿柱狀晶發(fā)生，與母材的晶粒間界相連，與焊縫長(zhǎng)度方向垂直。根部裂紋發(fā)生于焊縫根部。弧坑裂紋大多數(shù)發(fā)生于弧坑中心的等軸晶區(qū)，有縱、橫和星狀幾種類型。熱影響區(qū)中的熱裂紋有橫向的，也有縱向的，但都沿晶界發(fā)生。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接?常見焊接缺陷電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接42焊接熱裂紋的微觀特征：一般是沿晶界開裂，故又稱為晶間裂紋。當(dāng)裂紋貫串表面與外界空氣相通時(shí)，沿?zé)崃鸭y折斷的斷口表面呈氧化色彩（如蘭灰色等）。有的焊縫表面的宏觀熱裂紋中充滿熔渣。熱裂紋的成因：由于焊接熔池中存在偏析現(xiàn)象，偏析出的物質(zhì)多為低熔點(diǎn)共晶和雜質(zhì)，它們?cè)诮Y(jié)晶過程中以液態(tài)間層存在，由于熔點(diǎn)低往往最后結(jié)晶凝固，而凝固后的強(qiáng)度極低，在一定的條件下，當(dāng)焊接拉應(yīng)力足夠大時(shí)，會(huì)將液態(tài)間層拉開或在其凝固不久后被拉斷而形成裂紋。此外，如果母材的晶界上也存在有低熔點(diǎn)共晶和雜質(zhì)時(shí)，則在加熱溫度超過其熔點(diǎn)的熱影響區(qū)，這些低熔點(diǎn)化合物將熔化而形成液態(tài)間層，在一定條件下，當(dāng)焊接拉應(yīng)力足夠大時(shí)，也會(huì)被拉裂形成所謂的熱影響區(qū)熱裂紋。⑵、冷裂紋一般是指焊接時(shí)在A3以下溫度冷卻過程中或冷卻至室溫以后所產(chǎn)生的裂紋。形成裂紋的溫度通常在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍，約電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接焊接熱裂紋的微觀特征：一般是沿晶界開裂，故又稱為晶間43200~300℃以下，故稱為冷裂紋。冷裂紋可在焊接后立即出現(xiàn)，也可延遲幾小時(shí)、幾天、幾周甚至更長(zhǎng)時(shí)間后發(fā)生，這些裂紋也稱為延遲裂紋或氫致裂紋。冷裂紋的形態(tài)：焊縫和熱影響區(qū)均可能形成冷裂紋。焊道下裂紋常平行于焊縫長(zhǎng)度方向并向熱影響區(qū)擴(kuò)展，不一定貫穿表面，有時(shí)呈連續(xù)狀大致沿熔合區(qū)發(fā)展。主要由氫的作用引起的。焊趾裂紋在焊縫和母材截面不連續(xù)處或咬邊處等應(yīng)力集中部位發(fā)生，在熱影響區(qū)中擴(kuò)展。焊根裂紋產(chǎn)生在焊根附近或根部未焊透等缺口部位。這兩種裂紋主要由應(yīng)力集中而發(fā)生，擴(kuò)散氫的存在進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的發(fā)展。冷裂紋的主要特征：一般無分支，通常為穿晶型，有時(shí)也有晶間型。冷裂紋的成因：形成冷裂紋的基本條件是，焊接接頭形成淬硬組織，擴(kuò)散氫的存在和濃集，存在較大的焊接拉應(yīng)力。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接200~300℃以下，故稱為冷裂紋。電站鍋爐材料和44

⑶、再熱裂紋再熱裂紋是指一些含有釩、鉻、鉬、硼等焊接元素的低合金高強(qiáng)度鋼、耐熱鋼，經(jīng)受一次焊接熱循環(huán)后，在再經(jīng)受一次加熱的過程中（如消除應(yīng)力退火、多層多道焊及高溫下工作等）發(fā)生在焊接接頭熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，沿原奧氏體晶界開裂的裂紋。再熱裂紋經(jīng)常發(fā)生在500℃以上的再加熱過程中，600℃附近有一敏感區(qū)，超過650℃以上時(shí)，敏感性下降。再熱裂紋的成因：一般認(rèn)為在再加熱時(shí)，由于第一次熱過程中過飽和固溶的碳化物（主要是釩、鉻、鉬等的碳化物）再次析出，造成晶內(nèi)強(qiáng)化，使滑移應(yīng)變集中于原奧氏體晶界，當(dāng)晶界的塑性應(yīng)變能力不足以承受松弛應(yīng)力過程中所產(chǎn)生的應(yīng)變時(shí)，就產(chǎn)生再熱裂紋。再熱裂紋的形態(tài)特征：起源于焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，具有晶界斷裂特征。裂紋多發(fā)生于應(yīng)力集中部位。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接⑶、再熱裂紋電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接45

⑷、未焊透與未熔和未焊透：焊縫金屬與母材之間，未被電弧熔化而留下的空隙稱為未焊透。未熔合：焊縫金屬與母材之間，焊縫金屬之間彼此沒有完全熔和在一起的現(xiàn)象稱為未熔合。

⑸、夾渣夾雜在焊縫中的非金屬夾雜物稱為夾渣。

⑹、氣孔除此以外，常見的焊接缺陷還有表面缺陷（如咬邊、內(nèi)凹、焊瘤、弧坑、電弧擦傷等）以及過熱、過燒、夾鎢等缺陷。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接⑷、未焊透與未熔和電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－焊接46電站鍋爐材料和焊接知識(shí)金屬材料電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料電站鍋爐材料和焊接知識(shí)金屬材料電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材47電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料一、金屬學(xué)及熱處理基本知識(shí)?金屬學(xué)基本概念金屬學(xué)就是研究金屬和合金的性能與它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以及影響金屬與合金組織和性能的因素的一門科學(xué)。?鐵的幾種基本固態(tài)相

α鐵、β鐵、γ鐵、δ鐵。?在鋼中晶界的重要特性晶界比晶粒容易被腐蝕；晶界的熔點(diǎn)比晶粒低；當(dāng)金屬內(nèi)部發(fā)生相變時(shí)，晶界是優(yōu)先成核的部位；原子在晶界上擴(kuò)散比晶粒內(nèi)快；晶界對(duì)晶粒的滑移變形起阻礙作用，晶界不易產(chǎn)生塑性變形；晶界處容易聚集與晶粒元素不同的其他雜質(zhì)元素的原子。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料一、金屬學(xué)及熱處理基本知識(shí)48?等強(qiáng)溫度Tθ

晶界強(qiáng)度和晶粒強(qiáng)度相等時(shí)的溫度稱為等強(qiáng)溫度Tθ。?金屬材料的塑性變形及再結(jié)晶加工硬化：金屬在塑性變形后，金屬的強(qiáng)度和硬度會(huì)升高，塑性和韌性會(huì)降低，這種現(xiàn)象稱為加工硬化（或冷作硬化）。再結(jié)晶過程：當(dāng)溫度升高時(shí)，變形金屬的冷變形組織（被拉長(zhǎng)的晶粒）逐漸回復(fù)到原來的晶粒形狀，金屬性能恢復(fù)到原來的性能的過程稱為再結(jié)晶過程。?鋼中的幾種基本組織鐵素體：碳和其它合金元素在α鐵中的固溶體稱為鐵素體。以F表示。滲碳體：滲碳體是鐵和碳的化合物，或以化合物為基體的固溶體，以Fe3C表示。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?等強(qiáng)溫度Tθ電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料49奧氏體：奧氏體是碳和其它元素在γ鐵（面心立方晶格）中的固溶體，以A表示。珠光體：珠光體是鐵素體和滲碳體以彼此相間片層狀排列的機(jī)械混合物，以P表示。索氏體：索氏體即是片層較細(xì)的珠光體，以S表示。屈氏體（或托氏體）：屈氏體（或托氏體）即是片層極細(xì)的珠光體，以T表示。貝氏體：貝氏體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，按照組織形式和形成溫度不同，分為上貝氏體和下貝氏體。上貝氏體中鐵素體呈羽毛狀，羽毛之間分布有片裝和棒狀的滲碳體。下貝氏體為針狀的鐵素體上分布有大量的滲碳體。貝氏體中的鐵素體含有較多的（或過飽和的）碳，以B表示。馬氏體：碳在鐵素體中的過飽和固溶體，以M表示。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料奧氏體：奧氏體是碳和其它元素在γ鐵（面心立方晶格）中50萊氏體：萊氏體是一種機(jī)械混合物，在高溫時(shí)由奧氏體和滲碳體組成，在常溫時(shí)由奧氏體轉(zhuǎn)變得到的珠光體加滲碳體組成，以L表示。石墨：石墨是碳以六方柱狀形式的結(jié)晶狀態(tài)。石墨在鋼中的可以以三種形狀存在，即片狀（花瓣?duì)睿⒀┗?、球狀。其中以片狀?duì)金屬的危害最大。?鐵碳平衡圖平衡圖也叫相圖或狀態(tài)圖，是表示合金體系在平衡狀態(tài)時(shí)各相區(qū)溫度和成分極限的圖解。一般最常用的平衡圖是二元系的平衡圖。二元系的平衡圖以縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示合金的成分。知道了合金的成分和溫度，就可以在平衡圖上找到相應(yīng)的平衡狀態(tài)下的組織，并可用杠桿定律求出兩相區(qū)相的相對(duì)量。從平衡圖上也可以知道一定成分的合金在冷卻過程中相的變化。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料萊氏體：萊氏體是一種機(jī)械混合物，在高溫時(shí)由奧氏體和滲51鐵碳平衡圖是鐵和碳的二元系相圖。嚴(yán)格來說，鐵碳平衡圖應(yīng)當(dāng)是鐵和石墨的平衡圖。而我們應(yīng)用最多的是含碳量6.67％以下的富鐵部分平衡圖，而且是鐵和化合物Fe3C的一種平衡圖。因此，雖然鐵碳平衡圖有Fe－C和Fe－Fe3C兩種，但實(shí)際上都把Fe－Fe3C系的平衡圖稱為鐵碳平衡圖。包晶反應(yīng)：所謂包晶反應(yīng)即由一個(gè)固相和一個(gè)液相反應(yīng)成為一個(gè)固相的反應(yīng)。共晶反應(yīng)：所謂共晶反應(yīng)即由一個(gè)液相反應(yīng)成兩個(gè)固相的反應(yīng)。共析反應(yīng)：所謂共晶反應(yīng)即由一個(gè)固相反應(yīng)成兩個(gè)固相的反應(yīng)。杠桿定律：當(dāng)測(cè)定各相的相對(duì)量時(shí)，可先通過已知點(diǎn)做水平線，此水平線在該已知點(diǎn)和決定相成分的間的線段長(zhǎng)度與這些相的重量成反比。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料鐵碳平衡圖是鐵和碳的二元系相圖。嚴(yán)格52?鋼的熱處理正火:即是將鋼加熱到Ac3以上30～50℃，在此溫度停留一段時(shí)間后，將鋼在靜止空氣中冷卻的一種操作。正火目的：①、細(xì)化晶粒，改善鋼的力學(xué)性能，并可作為某些鋼（如20G鍋爐管）的最終熱處理。②、改善組織，以改善切削加工性能，并為淬火做組織準(zhǔn)備。淬火：即是把鋼加熱到臨界點(diǎn)（Ac3或Ac1）以上某一溫度，并在此溫度停留一段時(shí)間后，迅速冷卻，以得到不穩(wěn)定狀態(tài)組織的一種操作。鋼在淬火后一般得到的是馬氏體組織，但對(duì)高合金奧氏體鋼則淬火后為奧氏體組織。奧氏體鋼淬火也被稱為固溶處理或水韌處理。淬火目的：提高鋼的強(qiáng)度和硬度。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?鋼的熱處理電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料53回火：即是將淬火后的鋼加熱到低于Ac1的溫度，在此溫度停留一段時(shí)間后冷卻的一種操作?；鼗鹉康模孩佟⒌玫捷^為穩(wěn)定的組織。②、減小或完全消除鋼淬火后存在于鋼中的應(yīng)力，降低淬火鋼的脆性，得到工件所需要的最后的性能。常見的回火類型：①、低溫回火回火溫度為150～250℃。目的：消除工件中的部分內(nèi)應(yīng)力，稍稍提高韌性，但仍使工件保持著高的淬火硬度。適用范圍：高碳鋼和合金鋼制造的刀具、量具等。②、中溫回火回火溫度為350～480℃。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料回火：即是將淬火后的鋼加熱到低于Ac1的溫度，在此54目的：使鋼具有較高的彈性和韌性。適用范圍：常用于彈簧和熱沖模。

③、高溫回火回火溫度為450～670℃（對(duì)碳鋼或低合金鋼）或更高溫度（對(duì)中、高合金鋼）。目的：完全消除內(nèi)應(yīng)力，回火后有足夠的強(qiáng)度和良好的韌性。適用范圍：廣泛用于電站主蒸汽管道焊口的焊后熱處理以及結(jié)構(gòu)鋼的最終熱處理。退火：鋼的退火可分為再結(jié)晶退火和退火兩種。再結(jié)晶退火：即是將冷加工后的工件加熱到Ac1以下溫度，使冷加工后的不穩(wěn)定的變形組織變?yōu)榉€(wěn)定的組織狀態(tài)。這種退火沒有相變發(fā)生。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料目的：使鋼具有較高的彈性和韌性。電55常見的退火類型：

①、完全退火完全退火是將鋼加熱到Ac3以上，使鋼全部變成奧氏體的工藝。目的：細(xì)化晶粒，改善鋼的力學(xué)性能或?yàn)榇慊鹱鹘M織準(zhǔn)備；降低鋼的硬度以利于加工；消除內(nèi)應(yīng)力。適用范圍：亞共析鋼和共析鋼組織的碳鋼及合金鋼鑄件和鍛件。如汽輪機(jī)氣缸25鋼鑄件在鑄造后即采用完全退火。

②、不完全退火不完全退火與完全退火不同，其加熱溫度較低，為Ac1＋（20~30℃），在此溫度加熱保溫后緩慢冷卻。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料常見的退火類型：電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料56目的：降低鋼的硬度，改善切削性能，并為淬火作組織準(zhǔn)備。適用范圍：主要用于過共析鋼、合金工具鋼及軸承鋼。這些鋼均是含碳量較高的鋼，在不完全退火的加熱溫度下，其組織為奧氏體加二次滲碳體（對(duì)合金鋼為碳化物）。之所以不采用完全退火工藝的原因在于，如采用完全退火，鋼中所有含碳量均會(huì)溶于奧氏體中，導(dǎo)致奧氏體含碳量的含碳量提高，穩(wěn)定性加大。如要獲得均勻的退火組織，其冷卻速度必須很慢。這樣將大為延長(zhǎng)退火時(shí)間，對(duì)生產(chǎn)不利。另外，對(duì)這些剛采用不完全退火，可使二次滲碳體易于成為球狀，對(duì)降低鋼的硬度并為淬火組織準(zhǔn)備更為有利。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料目的：降低鋼的硬度，改善切削性能，57③、擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火即是將鋼加熱到很高的溫度，通常為Ac3以上200℃左右，保溫較長(zhǎng)時(shí)間，然后緩慢冷卻。目的：使鋼的成分均勻。適用范圍：高合金鋼錠或鑄件。④、等溫退火等溫退火即是把鋼加熱到臨界點(diǎn)以上溫度，使其轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，并保溫一段時(shí)間使奧氏體均勻后，冷卻到預(yù)定溫度，并在該溫度下保溫一段時(shí)間，使奧氏體等溫分解成珠光體的熱處理工藝。等溫退火的加熱溫度與完全退火的加熱溫度一樣。二者不同之處在于冷卻方式。這種退火方式可以說是完全退火的特殊形式。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料③、擴(kuò)散退火電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料58目的：組織均勻，硬度較低。適用范圍：合金鋼。⑤、球化退火球化退火即是將鋼按照完全退火的加熱速度加熱到Ac1＋（20~30℃），保溫后，再按照每小時(shí)20~50℃的速度降至該鋼Ar1以下一個(gè)溫度，并在這個(gè)溫度保溫較長(zhǎng)時(shí)間，最后隨爐冷致450~500℃左右出爐，再在空氣中冷卻的工藝。通過這種退火后，珠光體中的滲碳體及鋼中的二次滲碳體均為球狀，故稱為球化退火。目的：降低硬度，以便于加工，并使鋼中的滲碳體變?yōu)榍驙睿詾榇慊鹱骱媒M織準(zhǔn)備。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料目的：組織均勻，硬度較低。電站鍋爐材料和焊接59二、金屬在高溫長(zhǎng)期運(yùn)行過程中的變化

?金屬的蠕變金屬在高溫下，即使其所受的應(yīng)力低于金屬在該溫度的屈服點(diǎn)，在這樣的應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，也會(huì)發(fā)生緩慢的但是連續(xù)的塑性變形，這樣的一種現(xiàn)象稱為蠕變現(xiàn)象，所發(fā)生的變形稱為蠕變變形（或蠕脹）。?金屬的蠕變曲線蠕變現(xiàn)象通常用畫在“變形－時(shí)間”坐標(biāo)上的曲線來表示，這種曲線稱為蠕變曲線。盡管不同的金屬和合金在不同條件下所得到的蠕變曲線不盡相同，但它們都有一定的共同特征，把這些共同特征表示出來的蠕變曲線就叫做典型蠕變曲線。典型蠕變曲線見附圖，它描述在恒定溫度、恒定拉應(yīng)力下金屬的變形隨時(shí)間的變化規(guī)律。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料二、金屬在高溫長(zhǎng)期運(yùn)行過程中的變化電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金60典型蠕變曲線分為以下四個(gè)部分：

⑴、瞬時(shí)伸長(zhǎng)0O’它是加上應(yīng)力的瞬間發(fā)生的。假如外加應(yīng)力超過金屬在試驗(yàn)溫度下的彈性極限，則這部分瞬時(shí)伸長(zhǎng)中既包括彈性變形，也包括塑性變形。⑵、蠕變第一階段（曲線O’A，即I），這一階段的蠕變是非穩(wěn)定的蠕變階段，它的特點(diǎn)是開始蠕變速度較大，但隨著時(shí)間的推移，蠕變速度逐步減小，到A點(diǎn)，金屬的蠕變速度達(dá)到該應(yīng)力和溫度下的最小值并開始過渡到蠕變的第二階段。由于這一階段蠕變有著減速的特點(diǎn)，因此也把蠕變第一階段稱為蠕變的減速階段。⑶、蠕變的第二階段（曲線AB，即II），這一階段的蠕變是穩(wěn)定階段的蠕變，它的特點(diǎn)是蠕變以固定的但是對(duì)于該應(yīng)力和溫度下是最小的蠕變速度進(jìn)行，在蠕變曲線上表現(xiàn)為一具有一定傾斜角度的直線段。蠕變第二階段又稱為蠕變的等速階段或恒速階段。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料典型蠕變曲線分為以下四個(gè)部分：電站鍋爐材料和焊接知識(shí)61⑷、蠕變的第三階段（曲線BC，即III），當(dāng)蠕變進(jìn)行到B點(diǎn)，隨著時(shí)間的進(jìn)行，蠕變以迅速增大的速度進(jìn)行，這是一種失穩(wěn)狀態(tài)。直到C點(diǎn)發(fā)生斷裂。至此，整個(gè)蠕變過程結(jié)束。由于蠕變第三階段有蠕變不斷加速的特點(diǎn)，所以也被稱為蠕變的加速階段。

一般認(rèn)為，在正常的使用條件下，高溫金屬部件的使用期限應(yīng)當(dāng)在蠕變第三階段發(fā)生以前。長(zhǎng)期以來，人們總是把蠕變第二階段終了時(shí)的蠕變變形量作為金屬在使用時(shí)的極限變形量。但考慮到蠕變第三階段的時(shí)間與總的時(shí)間相比，占的比例較大，因此，對(duì)于電站的某些高溫部件，例如主蒸汽管道，它們的允許變形量并不受外界條件的限制（與某些部件因機(jī)械結(jié)構(gòu)的公差的限制不允許變形量很大是有區(qū)別的），而是由金屬本身的變性能力所支配，對(duì)于這樣的高溫金屬部件，認(rèn)為它們只能使用到第二階段終了時(shí)的看法是值得商榷的。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料⑷、蠕變的第三階段（曲線BC，即III），當(dāng)蠕變進(jìn)62?金屬的蠕變極限金屬的蠕變極限是這樣一個(gè)應(yīng)力，在這個(gè)應(yīng)力下，金屬在一定溫度下于規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定的總的塑性變形量；或者在這個(gè)應(yīng)力下，金屬在某一溫度下引起規(guī)定的蠕變速度。對(duì)于火力發(fā)電廠的高溫金屬部件，蠕變極限作以下具體規(guī)定：

⑴、在一定溫度下，能使鋼材產(chǎn)生1×10－7毫米/毫米?時(shí)（或1×10－5％/時(shí)）的第二階段蠕變速度的應(yīng)力，就稱為該溫度下1×10－7（或1×10－5％）的蠕變極限。所用符號(hào)為б

t1×10－7（或б

t1×10－5）。

⑵、在一定溫度下，能使鋼材在105小時(shí)工作時(shí)間內(nèi)發(fā)生1％的總?cè)渥冏冃瘟康膽?yīng)力，就稱為該溫度下的105小時(shí)變形1％的蠕變極限。所用符號(hào)為б

t1/105

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?金屬的蠕變極限電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料63?金屬的持久強(qiáng)度金屬材料的持久強(qiáng)度和蠕變極限一樣，是評(píng)定在高溫和應(yīng)力下長(zhǎng)期使用的部件金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)。由于金屬持久強(qiáng)度試驗(yàn)一直要進(jìn)行到試樣的斷裂，所以它可以反映金屬材料在高溫長(zhǎng)時(shí)斷裂時(shí)的強(qiáng)度和塑性。金屬的持久強(qiáng)度是指在給定溫度下經(jīng)過一定時(shí)間破壞時(shí)所能承受的應(yīng)力。金屬的持久強(qiáng)度也稱持久強(qiáng)度極限?；鹆Πl(fā)電廠高溫金屬部件所用材料的持久強(qiáng)度一般可表示為：在給定溫度下，經(jīng)105小時(shí)發(fā)生破壞（或斷裂）的應(yīng)力。其常用符號(hào)為б

t105

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?金屬的持久強(qiáng)度電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料64?金屬的松弛金屬在高溫和應(yīng)力狀態(tài)下，如維持總變形不變，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛。松弛過程可以用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示，當(dāng)溫度為常數(shù)時(shí)：

ε0＝

εp＋

εe＝常數(shù)式中：ε0－松弛開始時(shí)金屬所具有的開始的總變形；

εp－塑性變形

εe－彈性變形松弛過程中，ε0＝常數(shù)，εp

≠常數(shù)，εe

≠常數(shù)。即由于總變形量不變，而其中的彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，因而零件中的?yīng)力隨時(shí)間而降低。因此，金屬的松弛過程就是金屬在高溫下彈性變形自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃蔚倪^程。

電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?金屬的松弛電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料65?金屬在高溫長(zhǎng)期運(yùn)行過程中組織的變化無論奧氏體鋼或珠光體鋼，在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行，不但會(huì)發(fā)生蠕變、斷裂和應(yīng)力松弛等形變過程，而且還會(huì)發(fā)生一些組織和性能的變化。鍋爐、汽輪機(jī)高溫部件所用鋼材在高溫長(zhǎng)期運(yùn)行過程中發(fā)生的組織性能變化主要有：珠光體的球化和碳化物的聚集；石墨化（僅限于不含鉻的珠光體耐熱鋼）；時(shí)效和新相的形成（如不銹鋼中б相的形成等）；熱脆性；合金元素在固溶體中和碳化物相之間的重新分配。等等。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?金屬在高溫長(zhǎng)期運(yùn)行過程中組織的變化電站鍋爐材料和焊接知識(shí)66?珠光體的球化和碳化物的聚集這是所有珠光體耐熱鋼最常見的組織變化。珠光體球化是指鋼中原來的珠光體中的片層狀滲碳體（在合金鋼中稱合金滲碳體或碳化物）在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行，逐步改變自己的形狀而成為球狀的現(xiàn)象。球化后的碳化物繼續(xù)增大自己的尺寸，使小直徑的球變成大直徑的球，這就是碳化物的聚集。?珠光體的球化對(duì)鋼的性能的影響一般來說，珠光體球化對(duì)鋼的室溫力學(xué)性能和耐熱性均有一定程度的影響，對(duì)于不同的鋼，其影響程度不一。⑴、珠光體球化會(huì)使鋼的室溫強(qiáng)度極限和屈服點(diǎn)降低。⑵、珠光體球化會(huì)使鋼的蠕變極限和持久強(qiáng)度降低。電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材料?珠光體的球化和碳化物的聚集電站鍋爐材料和焊接知識(shí)－金屬材67?石墨化