第五章耐热钢精选文档.ppt

第五章耐热钢本讲稿第一页，共五十二页第五章第五章 耐热钢耐热钢本讲稿第二页，共五十二页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。包括抗氧化钢和热强钢火火电电厂厂热热力力设设备备中中很很多多零零部部件件是是在在高高温温、高高压压和和腐腐蚀蚀介介质质中中长长期期工工作作的的。因因此此，这这些些零零部部件件需需用用耐耐热热钢钢制制造造。此此外外，耐耐热热钢钢还还用用来来制制造造汽汽车车和和飞飞机机发发动机的排气阀，化学热处理设备中的耐热构件等。动机的排气阀，化学热处理设备中的耐热构件等。本讲稿第三页，共五十二页一、高温对钢材强度的影响一、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 耐热钢的高温性能本讲稿第四页，共五十二页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200300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。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，试样断裂所经历时间。应力越接近上面的曲线，试样断裂所经历的时间越短。的时间越短。本讲稿第五页，共五十二页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内强度，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。本讲稿第六页，共五十二页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。本讲稿第七页，共五十二页二、蠕变二、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350，低合金钢当温度超过350-400，在应力的长期作用下都有蠕变现象。温度越高，应力越大，蠕变的速度也就越快。蠕变的形变量，叫做蠕胀。高压锅炉和气轮机设备，可能引起蠕变的零部件很多，例如蒸汽过热器的高压锅炉和气轮机设备，可能引起蠕变的零部件很多，例如蒸汽过热器的蛇形管及其出口联箱，过热蒸汽管道和紧固件等。蛇形管及其出口联箱，过热蒸汽管道和紧固件等。蠕变现象严重会造成管壁的减薄，甚至会引起爆管蠕变现象严重会造成管壁的减薄，甚至会引起爆管，因此，抗蠕变能力的饿大小（蠕变极限）是，因此，抗蠕变能力的饿大小（蠕变极限）是衡量耐热钢高温机械性能的一个重要技术指标。衡量耐热钢高温机械性能的一个重要技术指标。本讲稿第八页，共五十二页（二）蠕变曲线（二）蠕变曲线描述金属蠕变整个形变过程的曲线，叫做蠕变曲线。典型的蠕变曲线如图5-3所示。本讲稿第九页，共五十二页蠕变的变形过程分为三的阶段：oa开始部分。这是加上载荷所引起的瞬间变形。如果所加的应力值超过了该温度下的弹性极限，这种变形实际上包括弹性变形和塑性变形两部分。这一变形还不标志蠕变现象，而是外力加上后所引起的一般变形现象。ab蠕变第一阶段。这是蠕变的不稳定阶段，金属以逐渐减慢的的变形速度积累着塑性变形。这一阶段的蠕变速度是很大的。bc蠕变第二阶段。这是金属以恒定的蠕变速度产生塑性变形的阶段，这一阶段蠕变速度很小，bc近似直线，角a的正切表示蠕变速度。cd蠕变第三阶段。这是蠕变的最后阶段，金属以逐渐增加的变形速度积累着塑性变形量，直至d点发生断裂。本讲稿第十页，共五十二页不同的金属材料进行实验时，得到的蠕变曲线是不同，同一种金属材料的蠕变曲线也随着实验条件（温度，应力）的不同而不同。应力和温度对蠕变曲线的影响，如图5-4，图5-5所示。本讲稿第十一页，共五十二页(三)蠕变强度工程上用蠕变极限作为蠕变抗力的技术指标。蠕变强度通常有两种表示方法。一种方法是以一定的工作温度下引起规定的第二阶段蠕变速度的应力值来表示。热力设备零部件用钢中规定的蠕变速度，一般是或或蠕变极限就相应写成蠕变极限就相应写成 或或 。有时也以。有时也以 或或 表示在温度表示在温度t时的蠕变极限，单位是时的蠕变极限，单位是MPa。本讲稿第十二页，共五十二页三、持久强度三、持久强度另一种方法是以一定的工作温度下，规定的工作时间内，钢材发生一定的总变形量时的应力值来表示。热力设备零部件用钢中规定工作时间为h(约12a)，总变形量1蠕变极限就写成 。有时也以 表示在温度t时的蠕变极限。钢材在高温下进行长时间的拉伸试验，其断裂时的应力值，叫做持久强度。锅炉管子材料是以105h断裂的应力值作为持久强度，并以 表示，单位是MPa。持久强度表示钢材在高温和应力长期作用下抵抗断裂的能力，其数值越大，说明使之断裂所需的外力越大，即钢材在高温时能够承受外力的能力越大。持久强度是耐热钢高温强度计算的依据，也是选用锅炉和汽轮机零部件用钢的重要技术指标。本讲稿第十三页，共五十二页由于h是个相当长的时间，钢材的高温持久试验一般不可能真正进行到h，通常只试验到500010000h，再外推到h的断裂应力值，如图56所示。本讲稿第十四页，共五十二页四、应力松弛四、应力松弛(略略)零件在高温和应力作用下，随着时间的增长，如果总的变形量不变，应力值却在缓慢地降低，这种现象称为应力松弛，简称为松弛。在应力松弛的过程中，应力是逐渐下降的变量，总变形量虽然没有变化，但是其弹性变形量却在逐渐地向塑性变形旦转化。应力松弛现象可用应力松弛曲线进行分析，如图57所示。锅炉、汽轮机和燃气轮机中的许多零件，如紧固件、弹麓、汽封、锅炉、汽轮机和燃气轮机中的许多零件，如紧固件、弹麓、汽封、弹簧片等，会产生应力松弛现象，当这些零件应力松弛到一定程度弹簧片等，会产生应力松弛现象，当这些零件应力松弛到一定程度后，就会影响设备的安全可靠性。后，就会影响设备的安全可靠性。在相同的温度和初应力的条件下，钢材的剩余应力值愈高，表明该钢材的抗松弛稳定性能愈好。剩余应力的大小与温度或初应力关系很大，温度越高或者初应力越大，剩余应力就越小。钢材的抗松弛稳定性，是选用高温状态下的弹簧及紧固件等零部件材料的技术指标之一。金属材料的高温性能还有热疲劳和热脆性。本讲稿第十五页，共五十二页第二节第二节 耐热钢的化学稳定性耐热钢的化学稳定性火电厂热力设备用钢不仅要满足热强性的要求，还需要具有较高的化学稳定性，即腐蚀性能。锅炉设备中过热器管和水冷壁管等受热面管子，在运行过程中其外壁直接与高温火焰和具有腐蚀性的烟气相接触，其内壁与汽、水相接触，因而受热面管子会产生腐蚀现象。汽轮机中的许多零部件也是在与腐蚀性介质相接触的条件下长期运行的，也有一个腐蚀的问题。特别是汽轮机叶片，工作时转速很高，又与蒸汽介质直接接触，不仅要受到蒸汽的锈蚀和冲蚀，还可能产生应力腐蚀和腐蚀疲劳，引起损坏。在设计选用热力设备零部件用钢时，除要考虑钢材高温强度外，还必须考虑钢材的耐腐蚀性能。根据大量的实践规定：在大气及弱腐蚀性介质中，腐蚀速度小于0.1mma为“耐蚀”，小于0.01mma为“完全耐蚀”；在强腐蚀性介质中，腐蚀速度小于1mma为“耐蚀”，小于0.1mma为“完全耐蚀”。本讲稿第十六页，共五十二页一、腐蚀的原理一、腐蚀的原理金属的腐蚀，按照腐蚀的原理可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀。(一一)化学腐蚀化学腐蚀金属直接与介质发生氧化或还原反应而引起的腐蚀损坏，称为化学腐蚀。过程中不产生电流，而单纯起化学作用。例如锅炉受热面管子在与高温烟气、水、蒸汽接触的过程中，对金属表面产生强烈的氧化作用。腐蚀结果使铁变成铁的氧化物或氢氧化物，从而失去金属性质。有些腐蚀产物能起保护作用，可以减缓化学腐蚀的速度，阻止继续产生化学腐蚀。这是化学腐蚀的极其重要的特征。本讲稿第十七页，共五十二页(二二)电化学腐蚀电化学腐蚀金属与电解液相接触时，有电流出现的腐蚀损坏过程，称为电化学腐蚀。电化学腐蚀是金属腐蚀的一种主形式，它是以各种金属具有不同的电极电位为依据的。所谓电极电位是指金属在某电解质溶液中与接触的溶液之间的电位差。假定标准氢电极的电极电位为零，那么某一种金属与标准氢电极之间的电位差就叫做该金属的标准电极电位。当低电位的金属与高电位的金属在电解液中相接触时，低电位的金属就将被腐蚀，而且这些金属在电化学次序中彼此相隔越远，电位低的金属被腐蚀损坏就越快。电化学腐蚀是最普遍的腐蚀损坏现象。本讲稿第十八页，共五十二页(三三)腐蚀损杯的形式腐蚀损杯的形式腐蚀损坏的形式般可分均匀腐蚀和局部腐蚀。图58为几种腐蚀形式的示意图。本讲稿第十九页，共五十二页二、电厂常见的腐蚀损坏类型二、电厂常见的腐蚀损坏类型(一)蒸汽腐蚀 锅炉受热面管子，特别是锅炉的过热器管易产生“蒸汽腐蚀”，其化学反应如下：产生蒸汽腐蚀后所生成的氢汽，如果不能较快地被汽流带走还将与钢材作用，便钢材表面脱碳并使钢材变脆所以有时也把蒸汽腐蚀叫做“氢腐蚀”或“氢脆”。蒸汽腐蚀实质上是个氧化过程，一日生成了的氧化铁之后，这种氧化物没有金属的特性，很容易脱落，俗称“铁锈”。严重的氢脆将会引起锅炉管壁的爆破，左图即为20号钢水冷壁管因氢脆爆管的实物照片。对破口附近内壁表面检查时，发现有许多裂纹。对破口附近的组织进行分析时，可以看出这些裂纹均是沿晶产生并扩展的，在氢脆裂纹所经过的珠光体边缘，可见到有脱碳现象存在，如右图所示。本讲稿第二十页，共五十二页 图5-1120钢水冷壁管氢脆爆管的宏观及微观组织（a）（b）本讲稿第二十一页，共五十二页(三)垢下腐蚀在锅炉受热面管子中有时沉淀含有氧化铁及氧化铜的水垢。垢下的腐蚀介质浓度很高，处于静滞状态，水垢与管壁金属相互之间产生电化学府蚀。氧化铁与氧化铜为阴极，而受热面的钢管内壁为阳极，因而钢管内壁就要不断被腐蚀而减薄。水垢导热性差，容易造成管子的堵塞，使管子局部过热，严重时会引起受热面管子鼓包或爆破。垢下腐蚀一般均发生于受热面管子的向火测内壁，尤其以过热管和管子水冷壁为最常见。(二)烟气腐蚀燃烧含硫高的燃料时，在烟气中生成较多的，当烟气在锅炉的尾部受热面(省煤器、空气预热器)冷却到一定温度(通常称“露点”)时，烟气中的水蒸气开始凝结并与SO2结合成硫酸溶液，将使受热面管子受到严重的腐蚀损坏。烟气腐蚀又称为“硫腐蚀”。本讲稿第二十二页，共五十二页(四)苛性脆化锅炉泡包等设备的铆接（或胀接）缝隙处，由于介质的不断浓缩，产生高浓度的碱性溶液，在钢材处于一定内应力状态下（铆接或胀接的残余应力、蒸汽压力等）即导致碱性腐蚀脆化，如图5及图5所示。本讲稿第二十三页，共五十二页(五)应力腐蚀 应力腐蚀是介质与应力同时作用下引起的一种腐蚀。在锅炉管道中的应力腐蚀往往发生在蠕变过程中，由于金属表面氧化膜破裂，导致部分裸出的金属承受更大的应力，又在腐蚀性介质(蒸汽或烟气)渗入下，因电化学作用而迅速被腐蚀。汽轮机的叶片、叶轮和螺栓等也会有这种损坏现象。应力腐蚀的裂纹，常常诱发疲劳或脆性破坏，因此是腐蚀中破坏性最大的一种。图514为应力腐蚀损坏的实物照片。由于钢管本身存在着较大的内应力，在与腐蚀介质的接触中，由于应力与腐蚀的共同作用而开裂了。图515是开裂处的显微形貌，从图中可以看出应力腐蚀的裂纹，一根主裂纹的边缘往往还有许多小裂纹。裂纹大多数是沿晶的，裂纹中也会有腐蚀产物。本讲稿第二十四页，共五十二页(六六)腐蚀疲劳腐蚀疲劳在交变应力作用下，钢在腐蚀性介质(蒸汽或烟气)中的腐蚀破坏称为腐蚀疲劳。汽轮机的叶片、轴类、弹簧等零部件常因腐蚀疲劳而破坏。对产生腐蚀疲劳的零部件进行分析时，发现其裂纹多为穿晶性的，端部圆钝内有灰色腐蚀产物，断口为带有疲劳特征的脆性断面。图图5 516 2016 20号钢省煤器管子腐蚀性热疲劳损坏的实物照片号钢省煤器管子腐蚀性热疲劳损坏的实物照片图图517 20517 20号钢省煤器管子腐蚀性热疲劳损坏的显微组织照片。号钢省煤器管子腐蚀性热疲劳损坏的显微组织照片。本讲稿第二十五页，共五十二页三、提高钢耐腐蚀性能的方法三、提高钢耐腐蚀性能的方法 提高钢耐腐蚀性能的方法:有保护层防腐、阴极保护、降低腐蚀介质的浓度等。最根本的方法是在钢中加入合金元素以提高钢的抗氧化性能和抗电化学府蚀的能力。加入合金元素后,提高钢的耐腐蚀性能的途径主要有三个方面：(1)使钢的表面生成一层致密的氧化模。钢的抗氧化能力决定于氧化膜的致密程度。实实践践证证明明，钢钢中中加加入入铬铬、硅硅、铝铝后后所所生生成成的的、是是比比较较致致密密的的，本本身身的的硬硬度度也也比比较较高高，能能隔隔绝绝金金属属与与氧氧接接触触避避免免钢钢继继犊犊按按腐腐蚀蚀，起起到到保保护护作作用用。这三种元素中以铬的影响最大，铬的氧化膜致密程度最高，保护作用最好。这三种元素中以铬的影响最大，铬的氧化膜致密程度最高，保护作用最好。本讲稿第二十六页，共五十二页(2)提高钢的电极电位。普通的钢电极电位很低，抗电化学解蚀的能力差。为了提高钢的抗电化学腐蚀的能力必须提高钢的电极电位。实践近明：铬溶于钢中形成固溶体时，钢耐腐蚀性能可以大大提实践近明：铬溶于钢中形成固溶体时，钢耐腐蚀性能可以大大提高。当含铬量超过高。当含铬量超过117时，钢的电极电位有一突变，即由负时，钢的电极电位有一突变，即由负变正，达到有较好的抗电化学腐蚀的能力。变正，达到有较好的抗电化学腐蚀的能力。钢的含铬量对电极电位的影响。如图钢的含铬量对电极电位的影响。如图5-18所示。所示。本讲稿第二十七页，共五十二页(3)使钢的组织形成单相固溶体，如单相的铁素体或典氏体，能进一步提高抗电化学腐蚀的能力。为了形成单相的铁素体，一般加入缩小奥氏体区域的元素，如铬、硅、钼、钛、铌等；为了形成单相的奥氏体，一般加入扩大奥氏体区域的元素，如镍、锰、氮、铜等。奥氏体钢比铁素体钢具有更高的韧性、较好的塑性及冷变形能力，加热时晶粒长大倾向较小。合金化是提高钢材的耐腐蚀性能最根本的方法，常用的合金元素有铬、镍、锰、氮、硅、钼、钛、铌、铜、钴等。本讲稿第二十八页，共五十二页第三节第三节 耐热钢的组织稳定性耐热钢的组织稳定性 钢材在高温下长期工作时，由于原子的扩散，其组织结构也要发生变化。温度愈高，高温下运行的时间愈长，原子扩散能力就增强，钢的组织结构变化也就愈大。组织发生变化，必然引起机械性能的改变。本讲稿第二十九页，共五十二页一、碳化物的球化一、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体中的碳化物由片状逐渐转变成球状，所以也常称为珠光体的球化。图5-112Cr1MoV钢原始状态700图5-212Cr1MoV钢运行85672h后球化1000本讲稿第三十页，共五十二页球化过程包括碳化物从片状转化成球状和球状粒子长大两个过程。球化的危害:钢中的碳化合物球化后，钢的蠕变极限和持久强度会下降。球化现象越严重，高温性能就越差。试验证明，试验证明，12Cr1MoV12Cr1MoV钢完全球化后，持久强度降低越三分之一。钢完全球化后，持久强度降低越三分之一。钢的持久强度下降后，其承载能力就相应的减少。在火电厂中，钢的持久强度下降后，其承载能力就相应的减少。在火电厂中，因锅炉钢管严重球化所引起的爆管事故，时有发生。因锅炉钢管严重球化所引起的爆管事故，时有发生。本讲稿第三十一页，共五十二页（二）球化的原因球光体中片状渗碳体表面积较大，具有较大的表面能量，存在着从较高的能量状态向较低的能量状态转化的趋势。在常温或温度较低时，原子的活动能力较弱，一般不能完成上述的转变，所以这时的片状碳化合物还是比较稳定。但是，在高温和应力的长期作用下，原子的活动能力增强，扩散速度也增大，碳化物从片状向球状的转化便具备了条件。由于球的表面积最小，因而它的表面能量也最小，所以片状碳化物就向球状转变。电厂用钢引起球化的原因，一是高温，二是高温下工作的时间长。尤其是当超温运行或工作温度经常上、下波动，会促进球化的产生和发展。（三）球化的监督在火电厂中对锅炉管子用钢的球化情况要进行监督，特别是我国部分电厂高温高压蒸汽管道的运行时间已经达到或超过了设计的使用年限，珠光体类耐热钢球化现象已较为普遍，对这些管道更要密切注意，定期的检查球化的发展情况。为了加强金属的监督，已经编制了球化级别标准，可作为各电厂金属监督评定球化时作参考。本讲稿第三十二页，共五十二页二、石墨化二、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。Fe3C3FeC（石墨）C 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。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。国内外均发生过因石墨化而引起的爆管事故。本讲稿第三十三页，共五十二页如图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5-320钢过热器管石墨化微观组织本讲稿第三十四页，共五十二页三、固溶体中合金元素的贫化三、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。本讲稿第三十五页，共五十二页第四节第四节 耐热钢中的合金元素及其作用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。本讲稿第三十六页，共五十二页一、耐热钢的强化原理耐热钢的强化原理耐热钢的高温强度主要取决于固溶体的强度、晶界强度和碳化物的强度。钢中加入合金元耐热钢的高温强度主要取决于固溶体的强度、晶界强度和碳化物的强度。钢中加入合金元素就是为了使这三者强化。素就是为了使这三者强化。(一)固溶体强化固溶体强化是耐热钢高温强化的重要方法之一。低合金耐热钢管的组织是以固溶体为基体的。提高固溶体的强度，增加固溶体的组织稳定性，都能有效地提高耐热钢的高温性能。加入合金元素，以增加原子之间的结合力，可使固溶体强化。外来原子溶入固溶体使晶格畸变，也能提高强度；有些元素能提高再结晶温度，延缓再结晶过程的进行，从而组织的稳定性，也同样能提高强度。通常用于强化固溶体的合金元素有铬、钼、钨、锰、铌等。本讲稿第三十七页，共五十二页(二)晶界强化增加晶界的强度，是提高耐热钢高温强度需要研究的重要课题之一。晶界强度在高温时降低的速度较快。晶界强度降低后，晶界易产生裂纹以致断裂破坏。耐热钢中加入微量的硼或锆或稀土元素后，可以提高晶界的强度。目前，主要用硼元素来强化晶界。实践证明，如果硼和钛或铌一起加入钢中，则强化晶界的效果更为显著。(三三)碳化物的弥散硬化碳化物的弥散硬化从位错的观点来看，碳化物的弥散硬化强化效果比上述两种方法更为显著。碳化物相沉淀在位错上，能锁固位错的攀移。而且，稳定的碳化物若以稳定的状态分布在固溶体内，就能显著地提高钢的强度和硬度。碳化物的弥散硬化，主要取决于碳化物的硬度、稳定性、形状、颗粒大小和分布状况等因素，钒、铌、钛元素的碳化物，在钢中呈小颗粒状的弥散分布，这些碳化物硬度很高，稳定性好，高温时又不易产生聚集长大，所以其弥散硬化的效果最好。本讲稿第三十八页，共五十二页（一）碳的作用（一）碳的作用随着碳含量的增加，钢的室温强度提高，塑性下降，碳对钢的高温性能影响就比较复杂。随着含碳量的增加，钢的抗蠕变性能会降低，而且，在高温下长期使用时，其蠕变速度要增快。因为含碳量多，在高温时从固溶体中析出的碳化物必然增多，会使固溶体中合金元素贫化，从而降低热强性。但含碳量也不宜过低，否则强度就太低。二、合金元素的作用二、合金元素的作用本讲稿第三十九页，共五十二页（二）铬的作用铬能使钢的性能在很多方面得到改善和提高。铬的主要作用为：（1）提高钢的耐腐蚀性能 铬的氧化物Cr2O3比较致密，钢的表面生成了Cr2O3能起保护膜作用，可有效地阻止钢被继续氧化。钢中含铬量越高，钢的抗氧化性能就越好，如图5-23所示。若含铬量超过12%以后，还能提高钢的电极电位，从而增加抗电化学腐蚀的能力，这一点在第二节中已经述记。（2）增加铁素体的强度，提高组织稳定性。本讲稿第四十页，共五十二页（三）钼的作用（三）钼的作用钼是耐热钢中强化固溶体的主要元素.。钼溶入铁素体可使原子之间的结合力增大，会使晶格发生畸变，因而提高钢的强度。钼对钢的抗蠕变能力的影响，如图5-24所示。含钼量愈高，钢的蠕变极限值也就愈高。本讲稿第四十一页，共五十二页(四四)钒的作用钒的作用钒是强的碳化物形成元素，在钢中能够形成细小、均匀、高度弥散分布的碳化物和氮化物微粒。这些化合物在550一600范围内比较稳定，因而能有效地提高钢的持久强度和抗蠕变能力。钒和碳的亲和力比钼和铬大，能阻碍钼和铬元素由固溶体向碳化物中迁移，避免和减少固溶体中钼和铬的贫化耐热钢中含钒量一般均小于0.4，含钒最过多钒的碳化物将要粗化，这对热强性反而不利。2硼和稀土元素硼和稀土元素硼和稀土都是提高晶界强度的合金元素。耐热钢均含微量元素。本讲稿第四十二页，共五十二页(五五)其它元素的作用其它元素的作用1钛和铌钛和铌也是强碳化物形成元素，钢中形成TiC和NbC后，在高温时其强度和稳定性均比VC为高。常用钛和铌来防止或减少因溶体中钼和铬的贫化；钛和铌与钒一样还能有效地防止不锈钢的晶间腐蚀。钛和铌常常与钼和铬等元素起复合加入到钢中，加入量通常也比较少。2铝和硅铝和硅铝和硅在钢中能显著地提高钢的抗氧化性，加入到钢中主要是为了提高耐腐蚀性能。但是，铝和硅均能促进石墨化，所以其加入量需要予以控制。3镍镍镍能增加钢的淬透性，国而能提高钢的强度。镍还是扩大奥氏体的元素，在奥氏体类耐热钢中用得较多。加入镍使钢变成单相的奥氏体组织后，钢就具备了较高的抗蠕变能力和耐腐蚀性能。由于镍价格较贵所以可用猛代替镍，使钢变成为单相的奥氏体组织。本讲稿第四十三页，共五十二页 第五节第五节 耐热钢的分类耐热钢的分类抗氧化钢和热强钢抗氧化钢又称为不起皮钢，用于制造炉用零件和热交换器，如燃气轮机燃烧室、锅炉吊钩、加热炉底板和辊道以及炉管等。抗氧化性取决于表面氧化皮稳定性、致密性及其与基体金属的粘附能力。工程中使用的抗氧化钢大多是在铬钢、铬镍钢或铬锰氮钢基础上添加硅或铝配置而成。包括3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N、2Cr189Ni25Si2等本讲稿第四十四页，共五十二页根据小截面正火后的金相组织，热强钢可以分为珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢四大类珠光体耐热钢中所加入的合金元素主要为铬、钼、钒，而且其总含量一般在5以下，也称为低合金耐热钢，这类钢的组织为铁素体和珠光体；若正火时冷却速度较快，或合金元素含量较高，元素的种类较多，其组织则为铁素体和贝氏体。一、珠光体耐热钢一、珠光体耐热钢本讲稿第四十五页，共五十二页CrMo系及CrMoV系珠光体耐热钢，在火电厂热力设备中应用得很广泛。最常用的钢种有12CrMo，15CrMo、13CrMo44、10CrMo910、12CrMoV、12Cr1MoV等。合金元素含量较低的铬钼钢主要用了500一510以下的蒸汽管道、联箱等零部件及540一550以下的锅炉受热面管子；合金元素含量较高的低碳铬钢和铬钼钒钢，则主要用于550以下的汽轮机主轴、叶轮、汽缸、隔板及高温紧因件等。铬钼钢及铬钼钒钢在使用温度分别超过550和580后，其组织不稳定性加剧，高温氧化速度增加，持久强度显著下降。为适应580以上温度的需要，多采用提高含铬量并添加钛、硼等多种合金元素。如12Cr3MoVSiTiB(11)、12Cr2MowVB(钢102)，其使用温度高达600620。本讲稿第四十六页，共五十二页二、马氏体耐热钢二、马氏体耐热钢钢中如加入含量较多的能使等温转变曲线右移的合金元素，钢在空冷时就可转变为马氏体组织，这类钢就称为马氏体钢。应用得最早的马氏体耐热钢Crl3型钢，这类钢不仅有热强性，还具有较高的耐腐蚀性能。1Crl3和2Cr13钢既可作为耐热钢，又可作为不锈钢使用。为提高Crl3型钢热强性，在这类钢的基础上添加钼、钨、钒、硼等合金元素。如1Cr11MoV、1Cr12MoWV和lCrl2WMoNbVB钢，这类钢使用温度可提高，由于热强性能好，可用作汽轮机的末级叶片。三、铁素体耐热钢三、铁素体耐热钢钢中加入相当多的铬、铝、硅等缩小奥氏体区域的合金元素，使钢具有单相的铁素体组织，就称为铁素体耐热钢。常用的有1Cr25Si2、1Cr25Ti等，这类钢抗高温氧化和耐腐蚀性能好，但热强性较差、脆性大。铁素体耐热钢不宜用作受冲击载荷的零部件而只宜用于受力不大的构件，如锅炉吹灰器、过热器吊架、热交换器等。本讲稿第四十七页，共五十二页四、奥氏体耐热钢四、奥氏体耐热钢钢中加入的合金元素，不仅使等温转变曲线右移，而且使MS线降低至室温以下，钢在空冷后的组织则仍然是奥氏体，这种钢称为奥氏体钢。奥氏体耐热钢不仅热强性很高，而且还有较高的塑性、韧性和良好的焊接性能。加之是单相的奥氏体组织，因而又有优良的耐腐蚀性能。奥氏体耐热钢是高合金多组元的钢种，在火电厂热力设备中常用的有1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Mo、4Cr14Ni14W2Mo、1Crl5Ni36W3Ti；此外尚有以锰代镍的奥氏体耐热钢钢种：2Cr20MnSi2N、Mn17Cr7MoVNbBZr、Mnl8Crl0MoVB、Cr18Mn11SiN等。本讲稿第四十八页，共五十二页1Cr18Ni9Ti是一种应用最为广泛的奥氏体耐热钢，其抗氧化工作温度可达700一900，在600左右的有足够的热强性，可用于6l0以下的锅炉过热器管、主蒸汽管，以及气轮机导管、阀体等。4Crl4Ni14W2Mo钢具有更高的热强性和组织稳定性,常用于650以下超高参数锅铲、汽轮机的过热器管、主蒸汽管及其它重要零件。1Crl5Ni36W3Ti钢主要用于高压汽轮机汽封弹簧和650以下燃气轮机叶片及紧固件。2Cr20Mn9Ni2Si2N钢抗氧化性能优良，可用于9001000过热器吊架及管夹等。奥氏体耐热钢也可作不锈钢用。本讲稿第四十九页，共五十二页过热器的作用：将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽。有以下特点：(1)过热器是锅炉中金属壁温最高的受热面，对材质要求高(2)过热器的阻力不能太大。(3)高热负荷区的过热器工质流速高。(4)过热器出口汽温将随锅炉负荷的改变而变化(5)过热器和再热器布置受锅炉参数影响。(6)在锅炉点火升炉或汽轮机甩负荷时，过热器要有保护措施这些装置都是大型锅炉蒸汽系统的辅助集热装置，都有利于提高锅炉系统的能量效率，只不过过热器、再热器是回收烟气能量，回热器是回收蒸汽能量。本讲稿第五十页，共五十二页什么是水冷壁？水冷壁的作用是什么？布置在炉膛内壁面上主要用水冷却的受热面，称为水冷壁。它是电站锅炉的主要蒸发受热面。水冷壁的主要作用是：（1）吸收炉内辐射热，将水加热成饱和蒸汽；（2）保护炉墙，简化炉墙结构，减轻炉墙重量，这主要是由于水冷壁吸收炉内辐射热，使炉墙温度降低的缘故；（3）吸收炉内热量，把烟气冷却到炉膛出口所允许的温度，这对减轻炉内结渣、防止炉膛出口结渣都是有利的；（4）水冷壁在炉内高温下吸收辐射热，传热效果好，故能降低锅炉钢材消耗量及锅炉造价。本讲稿第五十一页，共五十二页省煤器（英文名称Economizer）就是锅炉尾部烟道中将锅炉给水加热成汽包压力下的饱和水的受热面，由于它吸收的是比较低温的烟气，降低了烟气的排烟温度，节省了能源，提高了效率，所以称之为省煤器.钢管式省煤器不受压力限制，可以用作沸腾式，一般由外径为3251毫米的碳素钢管制成。有时在管外加鳍片和肋片，以改善传热效果。钢管式省煤器由水平布置的并联弯头管子（习称蛇形管）组成省煤器作用：1、吸收低温烟气的热量，降低排烟温度，减少排烟损失，节省燃料。2、由于给水进入汽包之前先在省煤器加热，因此减少了给水在受热面的吸热，可以用省煤器来代替部分造价较高的蒸发受热面。3、给水温度提高了，进入汽包就会减小壁温差，热应力相应的减小，延长汽包使用寿命。4、省煤器再循环的作用：在锅炉(汽包锅炉)的启动过程中,由于其汽水管道的循环没有建立,即锅炉给水处于停滞状态,此时省煤器内的水处于不流动的状态,随着锅炉燃烧的加强,烟气温度的提高,省煤器内的水容易产生汽化,使省煤器的局部处于超温状态.为了避免这个情况的出现,从汽包的集中下水管再接一管道到省煤器的入口,作为再循环管道,使省煤器内的水处于流动状态.避免其汽化。本讲稿第五十二页，共五十二页