第五章-耐熱鋼課件

第五章耐熱鋼鋼在高溫下能夠保持化學(xué)穩(wěn)定性（耐腐蝕、不起皮）得品質(zhì)，叫做鋼的熱穩(wěn)定性；鋼在高溫下具有足夠強(qiáng)度的品質(zhì)，叫做鋼的熱強(qiáng)性。具有熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的鋼，稱為耐熱鋼。包括抗氧化鋼和熱強(qiáng)鋼火電廠熱力設(shè)備中很多零部件是在高溫、高壓和腐蝕介質(zhì)中長(zhǎng)期工作的。因此，這些零部件需用耐熱鋼制造。此外，耐熱鋼還用來(lái)制造汽車和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣閥，化學(xué)熱處理設(shè)備中的耐熱構(gòu)件等。一、高溫對(duì)鋼材強(qiáng)度的影響鋼材的工作溫度超過(guò)某一溫度后，鋼的抗拉強(qiáng)度Rm要降低；鋼材在高溫下使用的時(shí)間越長(zhǎng)，其強(qiáng)度極限也會(huì)越低。第一節(jié)耐熱鋼的高溫性能機(jī)械性能溫度和實(shí)踐的關(guān)系，可用強(qiáng)度極限與溫度的關(guān)系曲線表示，如圖5-1所示。鐵及其合金在200～300℃時(shí)的強(qiáng)度比室溫時(shí)高，其脆性也比室溫時(shí)大，這種現(xiàn)象稱為蘭脆。350℃以上時(shí)抗拉強(qiáng)度逐漸下降，強(qiáng)度曲線分為兩根，上面的一根為快速試驗(yàn)時(shí)的強(qiáng)度曲線，下面的一根為緩慢試驗(yàn)時(shí)的強(qiáng)度曲線。應(yīng)力超過(guò)上面的曲線時(shí)，試樣就斷裂；應(yīng)力低于下面的曲線時(shí)，一般認(rèn)為試樣不會(huì)發(fā)生斷裂；應(yīng)力位于兩根曲線之間時(shí)，試樣斷裂需經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間。應(yīng)力越接近上面的曲線，試樣斷裂所經(jīng)歷的時(shí)間越短。金屬的強(qiáng)度是由晶內(nèi)強(qiáng)度（晶粒內(nèi)原子的引力）和晶界強(qiáng)度（晶界的結(jié)合力）兩部分所組成。常溫下晶界強(qiáng)度大于晶內(nèi)強(qiáng)度，這是因?yàn)榫Ы绲脑优帕胁灰?guī)則，而且晶體缺陷又較多，從而具有較大的抗變形能力，金屬的破壞總是帶有金屬內(nèi)破壞（穿晶破壞）的特點(diǎn)。隨著溫度的升高，晶內(nèi)強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度都將下降。但晶界的原子比晶內(nèi)的原子更不穩(wěn)定，晶界的缺點(diǎn)又比晶內(nèi)的多，在較高溫度下原子的擴(kuò)散速度就大，因此晶界強(qiáng)度的下降速度就快。到達(dá)某一溫度后，晶界強(qiáng)度就底于晶內(nèi)強(qiáng)度，如圖5-2所示。晶內(nèi)強(qiáng)度與晶界強(qiáng)度相等的溫度，稱為等強(qiáng)度溫度（等強(qiáng)度）。如果工作溫度超過(guò)等強(qiáng)度溫度，剛才的破壞形式就開(kāi)始轉(zhuǎn)為晶粒之間的破壞（沿晶破壞），即在晶界處因晶粒之間的相對(duì)滑移而產(chǎn)生裂紋，然后裂紋沿晶界擴(kuò)展，導(dǎo)致脆性斷裂。等強(qiáng)度溫度與載荷速度（形變速度）等因素有關(guān)。等強(qiáng)度溫度隨著載荷速度的降低而下降。在熱力設(shè)備中，有些零部件實(shí)在高溫和應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下（相當(dāng)與載荷速度很小的情況下）工作的，剛才的破壞往往屬于晶粒間的脆性斷裂，在高速載荷下，如短期超溫爆管（相當(dāng)與沖擊或短時(shí)拉伸），等強(qiáng)度溫度就比較高，又會(huì)產(chǎn)生晶內(nèi)（穿晶）塑性斷裂的形式。鋼在常溫下和高溫下的斷裂形式不同，說(shuō)明溫度對(duì)晶內(nèi)強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度的影響不同，這也意味著晶粒的大小對(duì)剛才強(qiáng)度的影響與溫度密切相關(guān)。在常溫下細(xì)晶粒對(duì)強(qiáng)度有利，而高溫時(shí)（超過(guò)等強(qiáng)度溫度）晶粒粗一些對(duì)強(qiáng)度有利。二、蠕變（一）蠕變的概念金屬在一定的溫度和應(yīng)力的作用下，隨著時(shí)間的增加，緩慢地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變。某些低熔點(diǎn)的金屬（如鉛，錫等）在室溫下也會(huì)發(fā)生蠕變。碳鋼當(dāng)溫度超過(guò)350℃，低合金鋼當(dāng)溫度超過(guò)350-400℃，在應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下都有蠕變現(xiàn)象。溫度越高，應(yīng)力越大，蠕變的速度也就越快。蠕變的形變量，叫做蠕脹。高壓鍋爐和氣輪機(jī)設(shè)備，可能引起蠕變的零部件很多，例如蒸汽過(guò)熱器的蛇形管及其出口聯(lián)箱，過(guò)熱蒸汽管道和緊固件等。蠕變現(xiàn)象嚴(yán)重會(huì)造成管壁的減薄，甚至?xí)鸨埽虼?，抗蠕變能力的餓大小（蠕變極限）是衡量耐熱鋼高溫機(jī)械性能的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。（二）蠕變曲線描述金屬蠕變整個(gè)形變過(guò)程的曲線，叫做蠕變曲線。典型的蠕變曲線如圖5-3所示。蠕變的變形過(guò)程分為三的階段：oa——開(kāi)始部分。這是加上載荷所引起的瞬間變形。如果所加的應(yīng)力值超過(guò)了該溫度下的彈性極限，這種變形實(shí)際上包括彈性變形和塑性變形兩部分。這一變形還不標(biāo)志蠕變現(xiàn)象，而是外力加上后所引起的一般變形現(xiàn)象。ab——蠕變第一階段。這是蠕變的不穩(wěn)定階段，金屬以逐漸減慢的的變形速度積累著塑性變形。這一階段的蠕變速度是很大的。bc——蠕變第二階段。這是金屬以恒定的蠕變速度產(chǎn)生塑性變形的階段，這一階段蠕變速度很小，bc近似直線，角a的正切表示蠕變速度。cd——蠕變第三階段。這是蠕變的最后階段，金屬以逐漸增加的變形速度積累著塑性變形量，直至d點(diǎn)發(fā)生斷裂。不同的金屬材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到的蠕變曲線是不同，同一種金屬材料的蠕變曲線也隨著實(shí)驗(yàn)條件（溫度，應(yīng)力）的不同而不同。應(yīng)力和溫度對(duì)蠕變曲線的影響，如圖5-4，圖5-5所示。(三)蠕變強(qiáng)度工程上用蠕變極限作為蠕變抗力的技術(shù)指標(biāo)。蠕變強(qiáng)度通常有兩種表示方法。一種方法是以一定的工作溫度下引起規(guī)定的第二階段蠕變速度的應(yīng)力值來(lái)表示。熱力設(shè)備零部件用鋼中規(guī)定的蠕變速度，一般是或蠕變極限就相應(yīng)寫成或。有時(shí)也以或表示在溫度t時(shí)的蠕變極限，單位是MPa。三、持久強(qiáng)度另一種方法是以一定的工作溫度下，規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)，鋼材發(fā)生一定的總變形量時(shí)的應(yīng)力值來(lái)表示。熱力設(shè)備零部件用鋼中規(guī)定工作時(shí)間為h(約12a)，總變形量1％蠕變極限就寫成。有時(shí)也以表示在溫度t時(shí)的蠕變極限。鋼材在高溫下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的拉伸試驗(yàn)，其斷裂時(shí)的應(yīng)力值，叫做持久強(qiáng)度。鍋爐管子材料是以105h斷裂的應(yīng)力值作為持久強(qiáng)度，并以

表示，單位是MPa。持久強(qiáng)度表示鋼材在高溫和應(yīng)力長(zhǎng)期作用下抵抗斷裂的能力，其數(shù)值越大，說(shuō)明使之?dāng)嗔阉璧耐饬υ酱?，即鋼材在高溫時(shí)能夠承受外力的能力越大。持久強(qiáng)度是耐熱鋼高溫強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)，也是選用鍋爐和汽輪機(jī)零部件用鋼的重要技術(shù)指標(biāo)。由于h是個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，鋼材的高溫持久試驗(yàn)一般不可能真正進(jìn)行到h，通常只試驗(yàn)到5000—10000h，再外推到h的斷裂應(yīng)力值，如圖5—6所示。四、應(yīng)力松弛(略)零件在高溫和應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，如果總的變形量不變，應(yīng)力值卻在緩慢地降低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛，簡(jiǎn)稱為松弛。在應(yīng)力松弛的過(guò)程中，應(yīng)力是逐漸下降的變量，總變形量雖然沒(méi)有變化，但是其彈性變形量卻在逐漸地向塑性變形旦轉(zhuǎn)化。應(yīng)力松弛現(xiàn)象可用應(yīng)力松弛曲線進(jìn)行分析，如圖5—7所示。鍋爐、汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中的許多零件，如緊固件、彈麓、汽封、彈簧片等，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，當(dāng)這些零件應(yīng)力松弛到一定程度后，就會(huì)影響設(shè)備的安全可靠性。在相同的溫度和初應(yīng)力的條件下，鋼材的剩余應(yīng)力值愈高，表明該鋼材的抗松弛穩(wěn)定性能愈好。剩余應(yīng)力的大小與溫度或初應(yīng)力關(guān)系很大，溫度越高或者初應(yīng)力越大，剩余應(yīng)力就越小。鋼材的抗松弛穩(wěn)定性，是選用高溫狀態(tài)下的彈簧及緊固件等零部件材料的技術(shù)指標(biāo)之一。金屬材料的高溫性能還有熱疲勞和熱脆性。第二節(jié)耐熱鋼的化學(xué)穩(wěn)定性火電廠熱力設(shè)備用鋼不僅要滿足熱強(qiáng)性的要求，還需要具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，即腐蝕性能。鍋爐設(shè)備中過(guò)熱器管和水冷壁管等受熱面管子，在運(yùn)行過(guò)程中其外壁直接與高溫火焰和具有腐蝕性的煙氣相接觸，其內(nèi)壁與汽、水相接觸，因而受熱面管子會(huì)產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。汽輪機(jī)中的許多零部件也是在與腐蝕性介質(zhì)相接觸的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行的，也有一個(gè)腐蝕的問(wèn)題。特別是汽輪機(jī)葉片，工作時(shí)轉(zhuǎn)速很高，又與蒸汽介質(zhì)直接接觸，不僅要受到蒸汽的銹蝕和沖蝕，還可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞，引起損壞。在設(shè)計(jì)選用熱力設(shè)備零部件用鋼時(shí)，除要考慮鋼材高溫強(qiáng)度外，還必須考慮鋼材的耐腐蝕性能。根據(jù)大量的實(shí)踐規(guī)定：在大氣及弱腐蝕性介質(zhì)中，腐蝕速度小于0.1mm／a為“耐蝕”，小于0.01mm／a為“完全耐蝕”；在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中，腐蝕速度小于1mm／a為“耐蝕”，小于0.1mm／a為“完全耐蝕”。一、腐蝕的原理金屬的腐蝕，按照腐蝕的原理可以分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。(一)化學(xué)腐蝕金屬直接與介質(zhì)發(fā)生氧化或還原反應(yīng)而引起的腐蝕損壞，稱為化學(xué)腐蝕。過(guò)程中不產(chǎn)生電流，而單純起化學(xué)作用。例如鍋爐受熱面管子在與高溫?zé)煔?、水、蒸汽接觸的過(guò)程中，對(duì)金屬表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的氧化作用。腐蝕結(jié)果使鐵變成鐵的氧化物或氫氧化物，從而失去金屬性質(zhì)。有些腐蝕產(chǎn)物能起保護(hù)作用，可以減緩化學(xué)腐蝕的速度，阻止繼續(xù)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。這是化學(xué)腐蝕的極其重要的特征。(二)電化學(xué)腐蝕金屬與電解液相接觸時(shí)，有電流出現(xiàn)的腐蝕損壞過(guò)程，稱為電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕的一種主形式，它是以各種金屬具有不同的電極電位為依據(jù)的。所謂電極電位是指金屬在某電解質(zhì)溶液中與接觸的溶液之間的電位差。假定標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極電位為零，那么某一種金屬與標(biāo)準(zhǔn)氫電極之間的電位差就叫做該金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位。當(dāng)?shù)碗娢坏慕饘倥c高電位的金屬在電解液中相接觸時(shí)，低電位的金屬就將被腐蝕，而且這些金屬在電化學(xué)次序中彼此相隔越遠(yuǎn)，電位低的金屬被腐蝕損壞就越快。電化學(xué)腐蝕是最普遍的腐蝕損壞現(xiàn)象。(三)腐蝕損杯的形式腐蝕損壞的形式—般可分均勻腐蝕和局部腐蝕。圖5－8為幾種腐蝕形式的示意圖。二、電廠常見(jiàn)的腐蝕損壞類型

(一)蒸汽腐蝕鍋爐受熱面管子，特別是鍋爐的過(guò)熱器管易產(chǎn)生“蒸汽腐蝕”，其化學(xué)反應(yīng)如下：產(chǎn)生蒸汽腐蝕后所生成的氫汽，如果不能較快地被汽流帶走．還將與鋼材作用，便鋼材表面脫碳并使鋼材變脆．所以有時(shí)也把蒸汽腐蝕叫做“氫腐蝕”或“氫脆”。蒸汽腐蝕實(shí)質(zhì)上是個(gè)氧化過(guò)程，一日生成了的氧化鐵之后，這種氧化物沒(méi)有金屬的特性，很容易脫落，俗稱“鐵銹”。嚴(yán)重的氫脆將會(huì)引起鍋爐管壁的爆破，左圖即為20號(hào)鋼水冷壁管因氫脆爆管的實(shí)物照片。對(duì)破口附近內(nèi)壁表面檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)有許多裂紋。對(duì)破口附近的組織進(jìn)行分析時(shí)，可以看出這些裂紋均是沿晶產(chǎn)生并擴(kuò)展的，在氫脆裂紋所經(jīng)過(guò)的珠光體邊緣，可見(jiàn)到有脫碳現(xiàn)象存在，如右圖所示。

圖5-1120鋼水冷壁管氫脆爆管的宏觀及微觀組織（a）（b）(三)垢下腐蝕在鍋爐受熱面管子中有時(shí)沉淀含有氧化鐵及氧化銅的水垢。垢下的腐蝕介質(zhì)濃度很高，處于靜滯狀態(tài)，水垢與管壁金屬相互之間產(chǎn)生電化學(xué)府蝕。氧化鐵與氧化銅為陰極，而受熱面的鋼管內(nèi)壁為陽(yáng)極，因而鋼管內(nèi)壁就要不斷被腐蝕而減薄。水垢導(dǎo)熱性差，容易造成管子的堵塞，使管子局部過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起受熱面管子鼓包或爆破。垢下腐蝕一般均發(fā)生于受熱面管子的向火測(cè)內(nèi)壁，尤其以過(guò)熱管和管子水冷壁為最常見(jiàn)。(二)煙氣腐蝕燃燒含硫高的燃料時(shí)，在煙氣中生成較多的，當(dāng)煙氣在鍋爐的尾部受熱面(省煤器、空氣預(yù)熱器)冷卻到一定溫度(通常稱“露點(diǎn)”)時(shí)，煙氣中的水蒸氣開(kāi)始凝結(jié)并與SO2結(jié)合成硫酸溶液，將使受熱面管子受到嚴(yán)重的腐蝕損壞。煙氣腐蝕又稱為“硫腐蝕”。

(四)苛性脆化鍋爐泡包等設(shè)備的鉚接（或脹接）縫隙處，由于介質(zhì)的不斷濃縮，產(chǎn)生高濃度的堿性溶液，在鋼材處于一定內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)下（鉚接或脹接的殘余應(yīng)力、蒸汽壓力等）即導(dǎo)致堿性腐蝕脆化，如圖5－１２及圖5－１３所示。

(五)應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕是介質(zhì)與應(yīng)力同時(shí)作用下引起的一種腐蝕。在鍋爐管道中的應(yīng)力腐蝕往往發(fā)生在蠕變過(guò)程中，由于金屬表面氧化膜破裂，導(dǎo)致部分裸出的金屬承受更大的應(yīng)力，又在腐蝕性介質(zhì)(蒸汽或煙氣)滲入下，因電化學(xué)作用而迅速被腐蝕。汽輪機(jī)的葉片、葉輪和螺栓等也會(huì)有這種損壞現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕的裂紋，常常誘發(fā)疲勞或脆性破壞，因此是腐蝕中破壞性最大的一種。圖5—14為應(yīng)力腐蝕損壞的實(shí)物照片。由于鋼管本身存在著較大的內(nèi)應(yīng)力，在與腐蝕介質(zhì)的接觸中，由于應(yīng)力與腐蝕的共同作用而開(kāi)裂了。圖5—15是開(kāi)裂處的顯微形貌，從圖中可以看出應(yīng)力腐蝕的裂紋，一根主裂紋的邊緣往往還有許多小裂紋。裂紋大多數(shù)是沿晶的，裂紋中也會(huì)有腐蝕產(chǎn)物。(六)腐蝕疲勞在交變應(yīng)力作用下，鋼在腐蝕性介質(zhì)(蒸汽或煙氣)中的腐蝕破壞稱為腐蝕疲勞。汽輪機(jī)的葉片、軸類、彈簧等零部件常因腐蝕疲勞而破壞。對(duì)產(chǎn)生腐蝕疲勞的零部件進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其裂紋多為穿晶性的，端部圓鈍內(nèi)有灰色腐蝕產(chǎn)物，斷口為帶有疲勞特征的脆性斷面。

圖5－1620號(hào)鋼省煤器管子腐蝕性熱疲勞損壞的實(shí)物照片圖5—1720號(hào)鋼省煤器管子腐蝕性熱疲勞損壞的顯微組織照片。三、提高鋼耐腐蝕性能的方法提高鋼耐腐蝕性能的方法:有保護(hù)層防腐、陰極保護(hù)、降低腐蝕介質(zhì)的濃度等。最根本的方法是在鋼中加入合金元素以提高鋼的抗氧化性能和抗電化學(xué)府蝕的能力。加入合金元素后,提高鋼的耐腐蝕性能的途徑主要有三個(gè)方面：(1)使鋼的表面生成一層致密的氧化模。鋼的抗氧化能力決定于氧化膜的致密程度。實(shí)踐證明，鋼中加入鉻、硅、鋁后所生成的、、是比較致密的，本身的硬度也比較高，能隔絕金屬與氧接觸．避免鋼繼犢按腐蝕，起到保護(hù)作用。這三種元素中以鉻的影響最大，鉻的氧化膜致密程度最高，保護(hù)作用最好。(2)提高鋼的電極電位。普通的鋼電極電位很低，抗電化學(xué)解蝕的能力差。為了提高鋼的抗電化學(xué)腐蝕的能力．必須提高鋼的電極電位。實(shí)踐近明：鉻溶于鋼中形成固溶體時(shí)，鋼耐腐蝕性能可以大大提高。當(dāng)含鉻量超過(guò)11．7％時(shí)，鋼的電極電位有一突變，即由負(fù)變正，達(dá)到有較好的抗電化學(xué)腐蝕的能力。鋼的含鉻量對(duì)電極電位的影響。如圖5-18所示。(3)使鋼的組織形成單相固溶體，如單相的鐵素體或典氏體，能進(jìn)一步提高抗電化學(xué)腐蝕的能力。為了形成單相的鐵素體，一般加入縮小奧氏體區(qū)域的元素，如鉻、硅、鉬、鈦、鈮等；為了形成單相的奧氏體，一般加入擴(kuò)大奧氏體區(qū)域的元素，如鎳、錳、氮、銅等。奧氏體鋼比鐵素體鋼具有更高的韌性、較好的塑性及冷變形能力，加熱時(shí)晶粒長(zhǎng)大傾向較小。合金化是提高鋼材的耐腐蝕性能最根本的方法，常用的合金元素有鉻、鎳、錳、氮、硅、鉬、鈦、鈮、銅、鈷等。第三節(jié)耐熱鋼的組織穩(wěn)定性鋼材在高溫下長(zhǎng)期工作時(shí)，由于原子的擴(kuò)散，其組織結(jié)構(gòu)也要發(fā)生變化。溫度愈高，高溫下運(yùn)行的時(shí)間愈長(zhǎng)，原子擴(kuò)散能力就增強(qiáng)，鋼的組織結(jié)構(gòu)變化也就愈大。組織發(fā)生變化，必然引起機(jī)械性能的改變。一、碳化物的球化(一)球化的概念及危害

碳化物的球化是指珠光體中的碳化物由片狀逐漸轉(zhuǎn)變成球狀，所以也常稱為珠光體的球化。圖5-112Cr1MoV鋼原始狀態(tài)700×圖5-212Cr1MoV鋼運(yùn)行85672h后球化1000球化過(guò)程包括碳化物從片狀轉(zhuǎn)化成球狀和球狀粒子長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程。球化的危害:鋼中的碳化合物球化后，鋼的蠕變極限和持久強(qiáng)度會(huì)下降。球化現(xiàn)象越嚴(yán)重，高溫性能就越差。試驗(yàn)證明，12Cr1MoV鋼完全球化后，持久強(qiáng)度降低越三分之一。鋼的持久強(qiáng)度下降后，其承載能力就相應(yīng)的減少。在火電廠中，因鍋爐鋼管嚴(yán)重球化所引起的爆管事故，時(shí)有發(fā)生。（二）球化的原因球光體中片狀滲碳體表面積較大，具有較大的表面能量，存在著從較高的能量狀態(tài)向較低的能量狀態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。在常溫或溫度較低時(shí)，原子的活動(dòng)能力較弱，一般不能完成上述的轉(zhuǎn)變，所以這時(shí)的片狀碳化合物還是比較穩(wěn)定。但是，在高溫和應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，原子的活動(dòng)能力增強(qiáng)，擴(kuò)散速度也增大，碳化物從片狀向球狀的轉(zhuǎn)化便具備了條件。由于球的表面積最小，因而它的表面能量也最小，所以片狀碳化物就向球狀轉(zhuǎn)變。電廠用鋼引起球化的原因，一是高溫，二是高溫下工作的時(shí)間長(zhǎng)。尤其是當(dāng)超溫運(yùn)行或工作溫度經(jīng)常上、下波動(dòng)，會(huì)促進(jìn)球化的產(chǎn)生和發(fā)展。（三）球化的監(jiān)督在火電廠中對(duì)鍋爐管子用鋼的球化情況要進(jìn)行監(jiān)督，特別是我國(guó)部分電廠高溫高壓蒸汽管道的運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)的使用年限，珠光體類耐熱鋼球化現(xiàn)象已較為普遍，對(duì)這些管道更要密切注意，定期的檢查球化的發(fā)展情況。為了加強(qiáng)金屬的監(jiān)督，已經(jīng)編制了球化級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)，可作為各電廠金屬監(jiān)督評(píng)定球化時(shí)作參考。二、石墨化在高溫和應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，碳鋼和含鉬的低合金耐熱鋼組織中的滲碳體易分解為鐵和石墨，這個(gè)過(guò)程稱為石墨化。Fe3C→3Fe＋C（石墨）C呈游離狀態(tài)聚集于鋼中，由于石墨的強(qiáng)度和塑性幾乎等于零，故游離狀態(tài)的石墨析出后，鋼中便如出現(xiàn)了孔洞和裂縫，造成鋼材內(nèi)部應(yīng)力集中，使鋼材的硬度和塑性明顯著下降，脆性增加。國(guó)內(nèi)外均發(fā)生過(guò)因石墨化而引起的爆管事故。如圖5-21所示。用化學(xué)方法將石墨碳從鋼中離析出來(lái)，所貫徹到的石墨碳，其顏色如同焦炭，有的呈條狀，有的呈粒狀，大小不均。

鋼材料的化學(xué)成分對(duì)石墨化的影響最大，鋁和硅是促進(jìn)石墨化的元素；鉻、鈦、鈮、釩等碳化合物形成元素，可以有效地阻止產(chǎn)生石墨化，其中鉻元素的效果為最好。圖5-320鋼過(guò)熱器管石墨化微觀組織三、固溶體中合金元素的貧化在高溫和應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，耐熱鋼由于原子擴(kuò)散能力增加，將導(dǎo)致合金元素在固溶體和碳化物之間的重新分配。合金元素重新分配的特點(diǎn)是：因溶體中合金元素的含量逐漸減少，而碳化物中合金元素的含量逐漸增加，于是出現(xiàn)固溶體中合金元素逐漸貧化的現(xiàn)象。固溶體中合金元素貧化后，鋼的蠕變極限和持久強(qiáng)度將要降低。固溶體中臺(tái)金元素的貧化與原子的擴(kuò)散過(guò)程有關(guān)。若鋼中加入能延緩擴(kuò)散過(guò)程的合金元素，就能提高固溶體的穩(wěn)定性，從而減少固溶體中合金元素貧化的程度。鋼中若加入強(qiáng)碳化物形成元素鎢、釩、鈮、鈦等，就能起到穩(wěn)定固溶體，阻礙鉬和鉻元素從固镕體中向碳化物遷移。第四節(jié)耐熱鋼中的合金元素及其作用鋼材的耐熱性能主要是通過(guò)合金化來(lái)達(dá)到的。所謂合金化，就是在碳鋼的基礎(chǔ)上加入可以提高熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的合金元素。最常用的合金元素是鉻、鉬、釩、鎢、鈦、鈮、硼、硅、稀土元素等。加入的合金元素種類和含量不同，鋼的組織和耐熱性能就不一樣，使用時(shí)的工作參數(shù)也就不同。一、耐熱鋼的強(qiáng)化原理

耐熱鋼的高溫強(qiáng)度主要取決于固溶體的強(qiáng)度、晶界強(qiáng)度和碳化物的強(qiáng)度。鋼中加入合金元素就是為了使這三者強(qiáng)化。(一)固溶體強(qiáng)化固溶體強(qiáng)化是耐熱鋼高溫強(qiáng)化的重要方法之一。低合金耐熱鋼管的組織是以固溶體為基體的。提高固溶體的強(qiáng)度，增加固溶體的組織穩(wěn)定性，都能有效地提高耐熱鋼的高溫性能。加入合金元素，以增加原子之間的結(jié)合力，可使固溶體強(qiáng)化。外來(lái)原子溶入固溶體使晶格畸變，也能提高強(qiáng)度；有些元素能提高再結(jié)晶溫度，延緩再結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行，從而組織的穩(wěn)定性，也同樣能提高強(qiáng)度。通常用于強(qiáng)化固溶體的合金元素有鉻、鉬、鎢、錳、鈮等。(二)晶界強(qiáng)化增加晶界的強(qiáng)度，是提高耐熱鋼高溫強(qiáng)度需要研究的重要課題之一。晶界強(qiáng)度在高溫時(shí)降低的速度較快。晶界強(qiáng)度降低后，晶界易產(chǎn)生裂紋以致斷裂破壞。耐熱鋼中加入微量的硼或鋯或稀土元素后，可以提高晶界的強(qiáng)度。目前，主要用硼元素來(lái)強(qiáng)化晶界。實(shí)踐證明，如果硼和鈦或鈮一起加入鋼中，則強(qiáng)化晶界的效果更為顯著。(三)碳化物的彌散硬化從位錯(cuò)的觀點(diǎn)來(lái)看，碳化物的彌散硬化強(qiáng)化效果比上述兩種方法更為顯著。碳化物相沉淀在位錯(cuò)上，能鎖固位錯(cuò)的攀移。而且，穩(wěn)定的碳化物若以穩(wěn)定的狀態(tài)分布在固溶體內(nèi)，就能顯著地提高鋼的強(qiáng)度和硬度。碳化物的彌散硬化，主要取決于碳化物的硬度、穩(wěn)定性、形狀、顆粒大小和分布狀況等因素，釩、鈮、鈦元素的碳化物，在鋼中呈小顆粒狀的彌散分布，這些碳化物硬度很高，穩(wěn)定性好，高溫時(shí)又不易產(chǎn)生聚集長(zhǎng)大，所以其彌散硬化的效果最好。（一）碳的作用隨著碳含量的增加，鋼的室溫強(qiáng)度提高，塑性下降，碳對(duì)鋼的高溫性能影響就比較復(fù)雜。隨著含碳量的增加，鋼的抗蠕變性能會(huì)降低，而且，在高溫下長(zhǎng)期使用時(shí)，其蠕變速度要增快。因?yàn)楹剂慷?，在高溫時(shí)從固溶體中析出的碳化物必然增多，會(huì)使固溶體中合金元素貧化，從而降低熱強(qiáng)性。但含碳量也不宜過(guò)低，否則強(qiáng)度就太低。二、合金元素的作用（二）鉻的作用鉻能使鋼的性能在很多方面得到改善和提高。鉻的主要作用為：（1）提高鋼的耐腐蝕性能鉻的氧化物Cr2O3比較致密，鋼的表面生成了Cr2O3能起保護(hù)膜作用，可有效地阻止鋼被繼續(xù)氧化。鋼中含鉻量越高，鋼的抗氧化性能就越好，如圖5-23所示。若含鉻量超過(guò)12%以后，還能提高鋼的電極電位，從而增加抗電化學(xué)腐蝕的能力，這一點(diǎn)在第二節(jié)中已經(jīng)述記。（2）增加鐵素體的強(qiáng)度，提高組織穩(wěn)定性。（三）鉬的作用鉬是耐熱鋼中強(qiáng)化固溶體的主要元素.。鉬溶入鐵素體可使原子之間的結(jié)合力增大，會(huì)使晶格發(fā)生畸變，因而提高鋼的強(qiáng)度。鉬對(duì)鋼的抗蠕變能力的影響，如圖5-24所示。含鉬量愈高，鋼的蠕變極限值也就愈高。(四)釩的作用釩是強(qiáng)的碳化物形成元素，在鋼中能夠形成細(xì)小、均勻、高度彌散分布的碳化物和氮化物微粒。這些化合物在550一600℃范圍內(nèi)比較穩(wěn)定，因而能有效地提高鋼的持久強(qiáng)度和抗蠕變能力。釩和碳的親和力比鉬和鉻大，能阻礙鉬和鉻元素由固溶體向碳化物中遷移，避免和減少固溶體中鉬和鉻的貧化．耐熱鋼中含釩量一般均小于0.4％，含釩最過(guò)多釩的碳化物將要粗化，這對(duì)熱強(qiáng)性反而不利。2．硼和稀土元素硼和稀土都是提高晶界強(qiáng)度的合金元素。耐熱鋼均含微量元素。

(五)其它元素的作用1．鈦和鈮鈦和鈮也是強(qiáng)碳化物形成元素，鋼中形成TiC和NbC后，在高溫時(shí)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性均比VC為高。常用鈦和鈮來(lái)防止或減少因溶體中鉬和鉻的貧化；鈦和鈮與釩一樣還能有效地防止不銹鋼的晶間腐蝕。鈦和鈮常常與鉬和鉻等元素—起復(fù)合加入到鋼中，加入量通常也比較少。2．鋁和硅鋁和硅在鋼中能顯著地提高鋼的抗氧化性，加入到鋼中主要是為了提高耐腐蝕性能。但是，鋁和硅均能促進(jìn)石墨化，所以其加入量需要予以控制。3．鎳鎳能增加鋼的淬透性，國(guó)而能提高鋼的強(qiáng)度。鎳還是擴(kuò)大奧氏體的元素，在奧氏體類耐熱鋼中用得較多。加入鎳使鋼變成單相的奧氏體組織后，鋼就具備了較高的抗蠕變能力和耐腐蝕性能。由于鎳價(jià)格較貴．所以可用猛代替鎳，使鋼變成為單相的奧氏體組織。第五節(jié)耐熱鋼的分類抗氧化鋼和熱強(qiáng)鋼抗氧化鋼又稱為不起皮鋼，用于制造爐用零件和熱交換器，如燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室、鍋爐吊鉤、加熱爐底板和輥道以及爐管等。抗氧化性取決于表面氧化皮穩(wěn)定性、致密性及其與基體金屬的粘附能力。工程中使用的抗氧化鋼大多是在鉻鋼、鉻鎳鋼或鉻錳氮鋼基礎(chǔ)上添加硅或鋁配置而成。包括3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N、2Cr189Ni25Si2等根據(jù)小截面正火后的金相組織，熱強(qiáng)鋼可以分為珠光體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼、鐵素體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼四大類珠光體耐熱鋼中所加入的合金元素主要為鉻、鉬、釩，而且其總含量一般在5％以下，也稱為低合金耐熱鋼，這類鋼的組織為鐵素體和珠光體；若正火時(shí)冷卻速度較快，或合金元素含量較高，元素的種類較多，其組織則為鐵素體和貝氏體。一、珠光體耐熱鋼Cr－Mo系及Cr—Mo—V系珠光體耐熱鋼，在火電廠熱力設(shè)備中應(yīng)用得很廣泛。最常用的鋼種有12CrMo，15CrMo、13CrMo44、10CrMo910、12CrMoV、12Cr1MoV等。合金元素含量較低的鉻鉬鋼主要用了500一510℃以下的蒸汽管道、聯(lián)箱等零部件及540一550℃以下的鍋爐受熱面管子；合金元素含量較高的低碳鉻鋼和鉻鉬釩鋼，則主要用于550℃以下的汽輪機(jī)主軸、葉輪、汽缸、隔板及高溫緊因件等。鉻鉬鋼及鉻鉬釩鋼在使用溫度分別超過(guò)550℃和580℃后，其組織不穩(wěn)定性加劇，高溫氧化速度增加，持久強(qiáng)度顯著下降。為適應(yīng)580℃以上溫度的需要，多采用提高含鉻量并添加鈦、硼等多種合金元素。如12Cr3MoVSiTiB(∏11)、12Cr2MowVB(鋼102)，其使用溫度高達(dá)600—620℃。二、馬氏體耐熱鋼鋼中如加入含量較多的能使等溫轉(zhuǎn)變曲線右移的合金元素，鋼在空冷時(shí)就可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，這類鋼就稱為馬氏體鋼。應(yīng)用得最早的馬氏體耐熱鋼Crl3型鋼，這類鋼不僅有熱強(qiáng)性，還具有較高的耐腐蝕性能。1Crl3和2Cr13鋼既可作為耐熱鋼，又可作為不銹鋼使用。為提高Crl3型鋼熱強(qiáng)性，在這類鋼的基礎(chǔ)上添加鉬、鎢、釩、硼等合金元素。如1Cr11MoV、1Cr12MoWV和lCrl2WMoNbVB鋼，這類鋼使用溫度可提高，由于熱強(qiáng)性能好，可用作汽輪機(jī)的末級(jí)葉片。三、鐵素體耐熱鋼鋼中加入相當(dāng)多的鉻、鋁、硅等縮小奧氏體區(qū)域的合金元素，使鋼具有單相的鐵素體組織，就稱為鐵素體耐熱鋼。常用的有1Cr25Si2、1Cr25Ti等，這類鋼抗高溫氧化和耐腐蝕性能好，但熱強(qiáng)性較差、脆性大。鐵素體耐熱鋼不宜用作受沖擊載荷的零部件．而只宜用于受力不大的構(gòu)件，如鍋爐吹灰器、過(guò)熱器吊架、熱交換器等。四、奧氏體耐熱鋼鋼中加入的合金元素，不僅使等溫轉(zhuǎn)變曲線右移，而且使MS線降低至室溫以下，鋼在空冷后的組織則仍然是奧氏體，這種鋼稱為奧氏體鋼。奧氏體耐熱鋼不僅熱強(qiáng)性很高，而且還有較高的塑性、韌性和良好的焊接性能。加之是單相的奧氏體組織，因而又有優(yōu)良的耐腐蝕性能。奧氏體耐熱鋼是高合金多組元的鋼種，在火電廠熱力設(shè)備中常用的有1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Mo、4Cr14Ni14W2Mo、1Crl5Ni36W3Ti；此外尚有以錳代鎳的奧氏體耐熱鋼鋼種：2Cr20MnSi2N、Mn17Cr7MoVNbBZr、Mnl8Crl0MoVB、Cr18Mn11SiN等。1Cr18Ni9Ti是一種應(yīng)用最為廣泛的奧氏體耐熱鋼，其抗氧化工作溫度可達(dá)700一900℃，在600℃左右的有足夠的熱強(qiáng)性，可用于6l0℃以下的鍋爐過(guò)熱器管、主蒸汽管，以及氣輪機(jī)導(dǎo)管、閥體等。4Crl4Ni14W2Mo鋼具有更高的熱強(qiáng)性和組織穩(wěn)定性,常用于650℃以下超高參數(shù)鍋鏟、汽輪機(jī)