1、锅炉金属材料1 材料分类常用的有金属材料和非金属材料。金属材料有碳钢、合金钢、有色金属、铸铁及其合金。其中应用最为广泛的是碳钢和合金钢。如将钢按用途来划分，有结构钢（建筑及工程用钢或结构用钢，如锅炉中的钢结构等） 、工具钢（各种量具、刃具、模具钢等）和特殊性能钢（耐热钢、不锈耐酸钢及电工用钢） ；按质量来划分则有普通钢、优质钢和高级优质钢三类；按冶炼方法、钢液脱氧程度和铸锭工艺的不同来划分则有沸腾钢、镇静钢（脱氧完全的钢，化学成分和力学性能均匀、焊接性能和抗腐蚀性好，一般用来做较重要的部件；受压元件用钢即是）和半镇静钢三类；此外还有其余种类的如按金相组织分类方法（下面介绍耐热钢时还要介绍）等。
2、2 锅炉金属材料性能1）常规性能锅炉常用金属材料的常规力学性能主要有以下几种：弹性极限：金属在力的作用下，形状发生变化，当力去除后，仍能恢复原状的能力称为弹性；而随外力而消失的变形称为弹性变形。 。在拉伸试验中，试样未发生永久变形时单位面积所承受的最大力就为弹性极限 e；强度：强度是指金属材料抵抗变形和破坏的能力，即金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的性能，可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗扭强度等。工程上金属材料的主要强度性能指标是屈服极限 s 和抗拉强度 b。金属材料在超过 s 的应力下工作，会使零件产生塑性变形；在超过 b 的应力下工作时，会引起零件的断裂破坏。b 是试件被拉断前的最
3、大负荷 Pb 与原横截面积 F0 之比，b = Pb / F0，单位为 MPa；屈服强度或屈服点 S 是指金属材料在拉伸试验中，外力已经超过弹性极限 e，虽然应力不再增加，但试件仍在伸长，试件产生比较明显的塑性变形，此时的应力称之；塑性：金属受外力作用产生变形，当外力去掉后变形不恢复的性能称为塑性；外力消失而不能恢复的变形称为塑性变形，即指材料在外力作用下，不发生破坏而产生永久变形的抵抗能力，可用延伸率和断面收缩率表示；延伸率是指试样拉断后的总伸长与原始长度的比值的百分比，=L1-L/L*100%，断面收缩率是指拉断后断面面积缩小值与原始面积比值的百分比 =F-F1/F*100%；冲击韧性：金
4、属材料抵抗瞬间冲击载荷的能力，一般用摆锤弯曲冲击试验来确定；硬度：就是金属材料的软硬程度，反应金属材料抵抗压入物压陷能力的大小，是金属表面的局部区域抵抗塑性变形和破坏的能力，一般有洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度和肖氏硬度等几种试验方法。2）锅炉用钢的特殊性能锅炉常用金属材料在室温和高温下的特殊性质有以下几种：断裂韧性：A）平面应变断裂韧性 KIC 是抵抗裂纹发生扩展的能力，由 GB4161规定的断裂韧性试验来确定，主要用于评定较脆的材料；B）裂纹尖端张开位移临界值 C；和 C）临界 J 积分，JIC 按 GB2038 规定的方法来确定。B 和 C 专用于评定塑性较好的材料的断裂韧性。断口形态脆性
5、转变温度 FATT：是指材料由韧性向脆性状态转化的温度，由系列冲击试验来确定。该温度可用来确定锅炉受压元件的水压试验的温度；无塑性转变温度 NDT：是指在落锤试验时，材料刚好发生断裂的最高温度，由落锤试验来确定。该温度可用来确定锅炉受压元件的水压试验的温度；应变时效敏感性：该系数指原始状态和应变时效（材料冷加工变形后，由于室温和较高温度下的材料内部脱溶沉淀过程导致性能尤其是冲击韧性发生变化的现象称之）后的冲击功的平均值之差与原始状态的冲击功的平均值之比，由GB4160 规定的方法来测定；疲劳：长期承受交变载荷作用的零件，在发生断裂时的应力，远低于材料的屈服强度，这种现象叫疲劳损坏。金属材料在无
6、数次交变载荷作用下，不致引起断裂的最大应力叫做疲劳强度，用 -1 表示。分为低周疲劳和高周疲劳，低周疲劳是指高应变或应力、低寿命的疲劳，锅炉受压元件材料承受低周疲劳居多；高周疲劳主要是弹性应变起决定作用。由相应的疲劳试验来确定；腐蚀疲劳：指在循环交变应力和腐蚀介质共同作用下产生的开裂与破坏；热疲劳：由于温度的循环变化，引起热应力的循环变化，并由此产生的疲劳破坏。若热应力长期工作中多次周期性地作用在材料上，将会引起塑性变形的积累，导致热疲劳裂纹的产生与扩展，使材料出现损伤破坏。其一般出现在金属零件的表面，成龟裂状。锅炉的减温器管、省煤器管、再热器管与水冷壁管等，都会由于温度的波动及起动、停炉等造
7、成热疲劳损坏。主要的影响因素是部件本身的温度差。就钢来说，其高温组织稳定性越好，其抗热疲劳能力越高；钢的线膨胀系数愈大、导热系数愈小，就会造成较大的温度差和热应力而降低材料的抗热疲劳性能。珠光体钢的抗热疲劳性能高于奥氏体钢就是这个原因。此外热疲劳裂纹一般均属晶内破坏，故细晶钢具有更高的抗热疲劳性能。蠕变及蠕变强度：在一定温度和应力作用下，随时间增加发生缓慢的塑性变形的现象称为蠕变。材料的蠕变曲线（蠕变变形量和时间的关系曲线）如图 3，由图可知，在加载引起瞬间变形（oa）后，蠕变过程分为三个阶段：ab 段（变形逐渐减慢，称为减速阶段或不稳定阶段） ，bc 段（变形速度基本恒定，称为稳定阶段。此一
8、线段倾角的正切表示蠕变速度） ，cd 段（蠕变加速，称为最后阶段） 。当温度升高或应力增大，第二阶段会变短或消失。而蠕变极限则是指材料在一定温度下、在规定的持续时间之内，产生一定蠕变变形量或引起规定的蠕变速度，此时所能承受的最大应力，有两种定义方法：一种是以 T 110-5 表示（在 T时引起的蠕变速度为 110-5%/h 的应力，即是在 T 温度，引起规定蠕变第二阶段的形变速度的应力值，如 1.10-5 代表蠕变速度为 1.10-5%/h 的蠕变强度，锅炉材料常采用此种表示定义） ；或以 T 1/105 表示（在T时工作 105h，其总变形量为 1%的应力值；如 1/105 代表经 1000
9、00 小时总变形为 1%的蠕变强度） 。持久强度：在高温和应力长期作用下抵抗断裂的能力，是指在一定温度和规定持续时间内引起断裂的最大应力值，以 T t 表示，其中 T 示温度（） ，t 示时间（h） 。火电厂的高温材料一般用 T 105 表示，即在 T运行 105h 发生断裂应力值。由于许多钢在长期高温运行后，其塑性降低明显，此时尽管蠕变变形量未到达规定值，但材料却提前破坏，呈现出蠕变脆性现象，这是十分危险的。故锅炉钢管常以持久强度作为设计依据。持久强度和塑性按 GB6395 规定的持久试验来确定。持久强度曲线如图 4，当应力一定时，材料运行环境的绝对温度和断裂时间 t 存在如下关系式（拉尔森
10、-米勒尔方程）：T（c+lgt）=常数，c 对一定材料为常数（见表 1） ，据此公式可知，温度越高，寿命越短。因而超温运行会严重影响工件的寿命。表 1 不同钢材的 c 值钢种 c 值 钢种 c 值低碳钢 18 18Cr-8Ni 奥氏体不锈钢 18钼钢 19 18Cr-8Ni-Mo 奥氏体不锈钢 17Cr-Mo 钢 23 25Cr-20Ni 不锈钢 15Cr-Mo-Ti-B 钢 22 高铬不锈钢 24-25持久塑性：通过持久强度试验，测量试样在断裂后的相对伸长率 及断面收缩率 ，持久塑性是高温下材料运行的一个重要指标，它反映材料在高温及应力长时间作用下的塑性性能；一般要求持久塑性 不得低于 3-
11、5%。抗松驰稳定性：零件在高温和应力长期作用下，若维持总变形不变，零件的应力将随时间延长而逐渐降低的现象，它是弹性变形自动转成塑性变形的结果。对紧固件用钢来说，其抗松驰性能是一个重要的高温性能指标，一般以抗松驰稳定性（即材料抵抗松驰的能力称之）作为强度计算指标。组织稳定性：这是高温材料的特殊性能，稍后讲。抗氧化性：在高温工作下的钢材很容易与直接接触的介质发生化学反应，如锅炉过热器的外表面与烟气、主蒸汽管道外表面与空气等都会发生氧化反应，从而使金属表面产生化学腐蚀。高温时，当 O2、CO2、H2O 等汽体与金属表面接触发生氧化时，如果金属与氧形成的氧化膜能挥发或不能完整地覆盖在金属表面，则金属会
12、继续被氧化；若氧化膜能象一层致密的保护膜一样覆盖在金属表面，则其可以防止金属被进一步氧化。铁的氧化物有三种，即 FeO 、Fe3O4 、Fe2O3 。当温度在 570以下时，碳钢材料表面上形成的氧化膜由 Fe2O3 和Fe3O4 所组成，这种氧化物较致密，能强烈地防止原子扩散，故其具有一定的抗氧化性。当温度高于 570时，形成的氧化膜由 Fe2O3、Fe3O4 和 FeO 三层所组成，其厚度比例大致为 1：10：100，此时的主要氧化物为 FeO，这种氧化物不致密，其晶体结构简单，是铁原子缺位的固溶体，金属原子很容易通过空位进行扩散，因而破坏了整个氧化膜的强度，故其抗氧化性差。因此在温度高于5
13、70时，铁的氧化过程大大加速。提高钢的高温抗氧化性能的基本方法是合金化；对加入钢的中的合金元素应满足下列要求：（1）能在钢的表面形成一层稳定的合金氧化膜，以阻止铁与氧结合，为此合金元素的的离子应比铁离子小，比铁更容易氧化， （2）合金氧化膜应与铁基体结合紧密，不容易剥落。Al、 Si 、Cr 三种元素均可满足上述要求。Al、 Si 的过多加入会影响钢的组织稳定性，故目前主要加入 Cr 来提高钢的抗氧化性能。要使钢具有足够的抗氧化性，温度越高，则所要加入的 Cr 量越多：在 600-650间，约要 5%的 Cr；800时，约要 12%的 Cr；950时，约要20%的 Cr；1100时，要 28%
14、的 Cr。但大多数情况下一般不单独加 Cr，应同时加入 Cr 和 Al，Cr 和 Si 或 Cr、Al、Si，这样一方面可以降低 Cr 的使用量，另一方面还可提高钢的热强性能。高温下钢除了受到氧化外，还可能受到其它气体，如 SO2 、SO3、H2S、H2等的作用，产生诸如（1）硫腐蚀、 （2）氢腐蚀以及（3）应力腐蚀等高温腐蚀，如锅炉受热面管子在运行过程中，管壁直接与高温汽水、水和蒸汽接触，会产生腐蚀现象，引起管子过早破坏。象空气预热器等如在露天下工作，由于烟气中有 SO2，还会产生低温腐蚀损坏。提高钢材抗高温腐蚀性能的措施仍是加入Cr、Al、Si 等合金元素最为有效，这些元素加入后一方面形成
15、致密氧化膜起保护作用，另一方面可提高钢的电极电位，使 Fe 离子不容易被拉走，材料也不易被腐蚀。如加入 11.7% Cr，钢的电极电位就由负变成正，所以一般的不锈钢的含 Cr 量为 12-13%。热脆性：指钢在某一温度区间长期加热会导致其冲击韧性显著降低的现象。其可能的原因是在高温下沿原奥氏体晶界析出了一层碳化物或氮化物脆性网，如FeS 或 Cr7C3 等。主要影响因素是钢的化学成分，含 Cr、Mn、Ni 等元素的钢的热脆倾向大，而加入 Mo、W、V 等会降低该脆性，在低合金钢中加入微量元素如B、Ti、Nb 也可降低热脆性。转载请注明出自六西格玛品质论坛 http:/ 锅炉金属材料类别1）用于
16、制造锅炉的金属材料有如下种类：锅炉用钢板、锅炉用钢管、锅炉用锻件及圆钢；其它还有铸钢件、铸铁件、紧固零件及焊接材料等。（1） 锅炉钢板：分为汽包钢板和结构钢板。A 汽包钢板：是我厂锅炉的重要受压元件的材料，留到稍后讲。B 结构用钢板：主要用于制造钢结构，如炉顶板、平台扶梯、炉顶小室、地脚螺栓和腹板等， （A）碳素结构钢，按国家标准 GB700-1988，共有 5 种（Q195，Q215A、B，Q235A、B、C、D，Q255A、B，Q275，不仅仅用于结构板，也用于锻件或紧固件） ；（B）优质碳素结构钢（GB699，直接用含碳量表示，不仅仅用于结构板，也用于锻件或紧固件） ；（C）低合金结构钢
17、，按 GB/T1591-94，同样为五种（Q295A、B，Q345A、B、C、D、E，Q390A、B、C、D、E，Q420A、B、C、D、E，Q460C、D、E） ；（D）合金结构钢（GB3077，不仅仅用于结构板，也用于锻件或紧固件）（A）和（C）中的结构钢，大多含碳量小于 0.2%、锰 0.8-1.7%、钒 0.02-0.2%、铌 0.015-0.060%、钛 0.02-0.2%；我厂也用 16Mn 和 19Mn6 等钢做炉顶板等较重要的部件。（2）受热面钢管：是我厂重要的受压元件材料，留到稍后讲。 （3） 锻件：主要用于生产有关的锅筒吊杆、管板、盖板、管道法兰等件。见表 3（及其它更好的
18、钢如 Cr13 型马氏体不锈钢和 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢） 。表 3 锅炉用锻件钢的种类 钢号 标准编号 适用范围工作压力（MPa） 壁温（）碳素钢 Q235-A, Q235-B GB700 2.5 350Q235-C, Q235-D 20，25 GB699 5.9 450合金钢 12CrMo ZBJ98016 锅炉锻件技术条件 不限 54015CrMo 55012Cr1MoV 56530CrMo35CrMo 45025Cr2MoVA 510（4） 铸钢件：锅炉铸件主要是阀门及管道附件。机组运行时铸件承受内压力、静应力，要求保证其有足够的强度和刚度；对高温下工作的铸件，还要求有高的
19、持久强度和蠕变强度，以及良好的热疲劳性能和一定的抗氧化性。在温度较高和压力较大时，一般采用铸钢件。表 4 锅炉用铸钢件钢的种类 钢号 标准编号 适用范围工作压力（MPa） 壁温（）碳素钢 ZG200-400 GB11352 6.3 450ZG230-450 ZBJ98015 不限 合金钢 ZG20CrMo ZBJ98015 锅炉管道附件承压铸钢件技术条件 不限 510ZG20CrMoV 540ZG15Cr1Mo1V 570（5） 铸铁件：分为灰铸铁（HT150 以上） 、可锻铸铁（KTH300-06、KTH300-08、KTH300-10、KTH300-12）和球墨铸铁（QT400-18、QT
20、450-10）三种。这三类铸铁的适用公称压力和介质温度基本上是逐渐升高，但压力不大于 2.5MPa，温度不高于 300。（6）紧固零件：螺栓和螺帽等件主要用于管道法兰、阀门等需要紧固连接的部件上，以保证机组运行时不漏气。处于较高温度下工作的紧固件，是在应力松弛的条件下工作的，工作时承受拉伸应力，有时也有弯曲应力；由于其失效将造成漏汽和停电等重大事故，影响机组安全运行，故对其用钢有如下要求：高的抗松弛性、高的屈服强度、一定的持久强度和蠕弯强度、高的持久塑性和小的蠕变脆性、具有一定的抗氧化性能。表 5 锅炉用紧固零件钢的种类 钢号 标准编号 适用范围工作压力（MPa） 介质温度（）碳素钢 Q235
21、-A, Q235-B GB700 1.6 350Q235-C, Q235-D 20，25 GB699 不限 35035 420合金钢 40Cr GB3077 不限 45035CrMo JB/T74 50025Cr2MoVA 50025Cr2Mo1VA 50020Cr1Mo1VNiTiB20Cr1Mo1TiB 5702Cr12WMoVNbB 600（7） 焊接材料：焊接受压元件所作用的焊条应符合 GB/T5117碳钢焊条 、GB/T5118低合金钢焊条 、GB983不锈钢焊条的规定；焊丝应符合GB4242焊接用不锈钢丝 、GB/T8110气体保护电弧焊用钢焊丝 、GB10045碳钢药芯焊丝 、G
22、B/T14957熔化焊用钢丝 、GB/T14958气体保护焊用钢丝的规定；焊剂应符合 GB5293碳素钢埋弧焊用焊剂 、GB12470低合金钢埋弧焊用焊剂的规定。2）验收：用于制造锅炉的主要材料如钢板、钢管和焊接材料等，锅炉制造厂应按有关规定进行入厂验收，合格后方能使用。当然若质量稳定并取得有关机构产品安全质量认可的材料，可免于入厂验收。3）国外材料：若锅炉受压元件采用国外钢材，应符合以下要求：应为国外锅炉用钢标准所列的钢号或化学成分、力学性能、焊接性能与国内允许用于锅炉的钢相近，并列入钢材标准的钢号或成熟的锅炉钢号；应按订货合同规定的技术标准和技术条件进行验收，对照国内锅炉钢标准如其缺少检验
23、项目，必要时应补做所缺项目的检验，合格后方能使用；首次使用前，应进行焊接工艺评定和成形工艺试验，满足要求后才能使用。4）代用材料：锅炉受压元件代用的钢板和钢管，应采用化学成分和力学性能相近的材料，并满足强度和结构上的要求，并经有关技术部门同意。4 耐热钢在高温时的组织稳定性及强化原理1）耐热钢在高温时的组织变化 在室温时，钢的组织一般是稳定的。但在高温及应力的长期作用下，由于原子扩散过程的加剧，钢的组织将逐渐发生变化，从而引起钢的性能发生改变，特别是对钢的高温强度及塑性产生不利的影响。耐热钢在高温时表现出来的组织变化有以下四种：珠光体组织球化和碳化物聚集、碳化物结构石墨化、合金元素在固溶体和碳
24、化物之间重新分配、时效并产生新相。（1）珠光体组织球化和碳化物聚集：珠光体球化是指钢材经高温长期运行后，珠光体组织中的渗碳体由片状逐渐变成球状，并聚集长大。20 碳钢、15CrMo、12Cr1MoV 等珠光体耐热钢，其原始组织一般为铁素体加珠光体，所以它们在高温下最普遍的组织不稳定性就是珠光体球化。发生球化的原因是：球状渗碳体比片状的更为稳定；因前者的表面积比同体积的球状渗碳体的大，总表面能较高；在高温下，由于原子得到能量，活动能力增强，将自发从高能量状态向低能量的状态转变。珠光体球化会使钢的室温和高温强度降低，尤其使蠕变极限和持久强度下降，从而加速了高温部件在运行过程中的蠕变速度，导致破坏加
25、速。如对 12Cr1MoV 钢的试验表明：完全球化后，该钢的持久强度比未球化的降低约 1/3；含 Mo 量 0.5%的钢在 538下使用 20 年后，蠕变极限下降77%。在火电厂中，引起爆管事故的重要原因往往就是珠光体发生严重球化，因而要对锅炉钢管等设备的材料进行珠光体球化程度监督，定期检查其发展情况。影响珠光体球化的因素主要是温度、时间及钢的化学成分。温度高、时间长，则球化严重；钢中加入 Cr、Mo、V、Nb、Ti 等到合金元素能阻止碳在固溶体中的扩散或形成稳定的碳化物，所以能阻碍或减缓渗碳体向球状转变和聚集。但钢中加入铝 Al 会加速球化过程。（2）石墨化：钢中的 Fe3C 在高温和应力作
26、用下会发生分解，从而析出游离态的 C（石墨） ，这一组织转变称为石墨化。石墨化是碳钢和珠光体钼钢组织不稳定的一种最危险形式。碳钢在 450、钼钢在 485以上，经几万 h 运行后，就会出现石墨化，使钢材的性能恶化，造成脆性爆管事故。石墨化不仅很大程度上消除了碳化物对钢的强化作用，而且由于石墨本身的强度和塑性极低，相当于在钢中出现了裂纹或孔隙，危害极大。钢中的化学成分对其石墨化倾向有决定性的影响：Al、Si、Ni 是促进石墨化的元素，故热力设备用的碳钢和钼钢应尽可能不用 Al、Si 脱氧，而加入碳化物形成元素 Cr、V、Ti、Nb 等形成稳定性更高的碳化物，或使渗碳体的稳定性提高，从而能有效地阻
27、止石墨化过程。高温蒸汽管道经过冷变形和焊接，也会促进石墨化进程，特别是在焊接热影响区中，最易出现链状石墨化石墨，使管子破裂，对焊缝采用退火或正火后回火等措施，可大大减少石墨化倾向。（3）合金元素在固溶体和碳化物之间重新分配：钢的组织，在高温和应力长期作用下，固溶体中的合金元素逐渐减少，碳化物中的合元素逐渐增多，使固溶体中的合金元素逐渐贫化。对耐热钢来说，固溶体中的合金元素的贫化主要是指 Mo、Cr 贫化。这样重新分配的结果，使钢的强度、蠕变极限和持久强度下降，对高温部件的运行构成威胁。合金再分配的过程随温度升高和时间延长而加强。钢中含碳量的升高也会加速这一过程。特别是温度接近于钢材的使用温度上
28、限时，合金元素迁移的速度更快。图 5 为碳化物中合金元素的含量与温度及运行时间的变化关系。钢的化学成分对合金元素的再分配有决定性的影响。由于合金元素的再分配与扩散过程有关，因此钢中加入能延缓扩散过程的元素将有利于固溶体的稳定。如在铬钼钢中加入 V 元素，则可减慢 Mo、Cr 的迁移过程，所以 Mo、Cr、V钢较 Mo、Cr 钢时的使用温度更高。（4）时效和新相的形成：耐热钢在高温应力下工作，随时间的推移，从过饱和固溶体中分解出高度弥散的强化相粒子（新相） ，使钢的性能随之变化。时效前期强化相的粒子细小而弥散，钢的强度、硬度升高，而韧 性、塑性降低，即表现出弥散沉淀强化；随时间延续，新相粒子聚集长大，强化效果渐渐消失，钢的室温和高温强度都显著下降。钢在时效过程中的析出的新相主要是碳化物，
