耐热钢的高温性能常见问题及控制措施.ppt

二、石墨化 在高温和应力长期作用下，碳钢和含钼的低合金耐热钢组织中的渗碳体易分解为铁和石墨，这个过程称为石墨化。 Fe3C→3Fe＋C（石墨） C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。 * * 如图5-21所示。用化学方法将石墨碳从钢中离析出来，所贯彻到的石墨碳，其颜色如同焦炭，有的呈条状，有的呈粒状，大小不均。钢材料的化学成分对石墨化的影响最大，铝和硅是促进石墨化的元素；铬、钛、铌、钒等碳化合物形成元素，可以有效地阻止产生石墨化，其中铬元素的效果为最好。 图5-3 20钢过热器管石墨化微观组织 * * 三、固溶体中合金元素的贫化 在高温和应力的长期作用下，耐热钢由于原子扩散能力增加，将导致合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配。 合金元素重新分配的特点是：因溶体中合金元素的含量逐渐减少，而碳化物中合金元素的含量逐渐增加，于是出现固溶体中合金元素逐渐贫化的现象。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。 固溶体中台金元素的贫化与原子的扩散过程有关。若钢中加入能延缓扩散过程的合金元素，就能提高固溶体的稳定性，从而减少固溶体中合金元素贫化的程度。钢中若加入强碳化物形成元素钨、钒、铌、钛等，就能起到稳定固溶体，阻碍钼和铬元素从固镕体中向碳化物迁移。 * * 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。 所谓合金化，就是在碳钢的基础上加入可以提高热稳定性和热强性的合金元素。 最常用的合金元素是铬、钼、钒、钨、钛、铌、硼、硅、稀土元素等。加入的合金元素种类和含量不同，钢的组织和耐热性能就不一样，使用时的工作参数也就不同。 * * 电厂金属材料 耐热钢 * * 钢在高温下能够保持化学稳定性（耐腐蚀、不起皮）得品质，叫做钢的热稳定性；钢在高温下具有足够强度的品质，叫做钢的热强性。具有热稳定性和热强性的钢，称为耐热钢。 火电厂热力设备中很多零部件是在高温、高压和腐蚀介质中长期工作的。因此，这些零部件需用耐热钢制造。此外，耐热钢还用来制造汽车和飞机发动机的排气阀，化学热处理设备中的耐热构件等。 * * 一、高温对钢材强度的影响 钢材的工作温度超过某一温度后，钢的抗拉强度Rm要降低；钢材在高温下使用的时间越长，其强度极限也会越低。 第一节 耐热钢的高温性能 * * 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5-1所示。 铁及其合金在200～300℃时的强度比室温时高，其脆性也比室温时大，这种现象称为兰脆。 从5-1中还可以看出，350℃以上时抗拉强度逐渐下降，强度曲线分为两根，上面的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。 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。应力越接近上面的曲线，试样断裂所经历的时间越短。 * * 金属的强度是由晶内强度（晶粒内原子的引力）和晶界强度（晶界的结合力）两部分所组成。 常温下晶界强度大于晶界强度，这是因为晶界的原子排列不规则，而且晶体缺陷又较多，从而具有较大的抗变形能力，金属的破坏总是带有金属内破坏（穿晶破坏）的特点。 随着温度的升高，晶内强度和晶界强度都将下降。但晶界的原子比晶内的原子更不稳定，晶界的缺点又比晶内的多，在较高温度下原子的扩散速度就大，因此晶界强度的下降速度就快。到达某一温度后，晶界强度就底于晶内强度，如图5-2所示。 * * 晶内强度与晶界强度相等的温度，称为等强度温度（等强度）。如果工作温度超过等强度温度，刚才的破坏形式就开始转为晶粒之间的破坏（沿晶破坏），即在晶界处因晶粒之间的相对滑移而产生裂纹，然后裂纹沿晶界扩展，导致脆性断裂。 等强度温度与载荷速度（形变速度）等因素有关。等强度温度随着载荷速度的降低而下降。在热力设备中，有些零部件实在高温和应力的长期作用下（相当与载荷速度很小的情况下）工作的，刚才的破坏往往属于晶粒间的脆性断裂，在高速载荷下，如短期超温爆管（相当与冲击或短时拉伸），等强度温度就比较高，又会产生晶内（穿晶）塑性断裂的形式。 钢在常温下和高温下的断裂形式不同，说明温度对晶内强度和晶界强度的影响不同，这也意味着晶粒的大小对刚才强度的影响与温度密切相关。在常温下细晶粒对强度有利，而高温时（超过等强度温度）晶粒粗一些对强度有利。 * * 二、蠕变 （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3