电厂金属材料

本课程的性质和内容1、性质：本课程属于专业技术基础课。

2、内容：了解金属材料的性能及测试方法；了解电厂常用金属材料的分类性能及用途了解热处理基本知识；熟悉热力设备主要部件用钢；了解火力发电厂金属监督知识。

一、材料在工程技术中的应用1、材料是人类社会生活中广泛应用的物质，它是社会发展和进步的标志。

石器时代—青铜器时代—铁器时代2、材料是人类用来制造各种产品的物质3、材料的发展离不开科学技术的进步，而科学技术的继续发展又依赖于工程材料的发展4、目前，电力工业生产中应用最广的仍为金属材料，约占80%—90%二、电厂用金属材料的选用原则1、火电厂热力设备主要零部件用钢种类繁多，各零部件都应按自己的工况特点和用钢要求来选用。

锅炉受热面管按不同工况可用:20G、16Mo、12Cr1MoVG、钢102、F11、T91、TP304H、1Cr19Ni9等。

2、机组容量的增加、效率的提高对金属材料提出了越来越高的要求第一章金属学基本知识金属：在元素周期表中，凡具有良好的导电性、导热性和可锻性的元素通称为金属。

金属材料：在所有应用材料中，凡以金属元素或以其为主所形成的具有金属特性的物质通称为金属材料。

金属材料分为：黑色金属：铁、锰、铬及其合金。

如：钢、生铁有色金属：指除黑色金属外的其他金属及合金。

如：铜、铝及其合金金属材料按成分分为：纯金属：指一种金属元素组成的物质。

目前被发现107种元素，金属86种合金：两种或两种以上金属或金属与非金属组成的物质。

如：黄铜、合金的性能优于纯金属，应用广泛。

金属材料的性能：使用性能：指金属材料在使用条件下所表现的性能。

工艺性能：指金属材料在冷热加工过程中所表现的性能。

使用性能包括：机械性能物理性能化学性能工艺性能包括：铸造性能锻造性能焊接性能热处理性能机加工性能金属材料的物理性能：金属材料不需要发生化学反应所能表现出的性质。

金属材料的物理性能有：密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀、耐磨性和磁性等。

根据金属密度的大小，可以分为轻金属和重金属。

轻金属：ρ<5×103kg／m3的金属重金属：ρ>5×103kg／m3的金属常用金属材料密度如下：铸铁为7.8×103kg／m3，纯铜为8.9×103kg／m3，铝为2.7×103kg／m3 熔点：金属由固态转变为液态时的温度。

一般用摄氏温度(℃)表示。

掌握金属的熔点，对于铸造、焊接、冶炼各种合金及金属的选择使用都很重要。

例如：低熔点的金属或合金用来制造铅字、熔丝等，高熔点的合金用来制造耐高温的过热器管、汽轮机叶片等耐热部件。

导电性：金属传导电流的性能。

一般金属材料均有良好的导电性，其中以银的导电性最好，其次为铜、铝、铁等，铅的导电性在常用金属中最低。

若银导电率为100﹪则铜为97﹪铝为57﹪。

金属温度越高导电性越差。

通常金属的导电性好，则电流通过时所产生的热量就越少，从而在输电过程中的电能损失就较小。

有些物质的导电性很微弱（如鍺、硅、硒）介于导体与绝缘体之间，称半导体。

物质有导体、半导体、绝缘体之分。

金属传导热量的性能。

多数金属都是热的良导体，其中银的导热性最好，铜、铝次之。

通常是导电性好的材料，其导热性也好。

若零件在使用中需要大量吸热或散热时，则要用导热性好的材料。

在火电设备中，凝汽器的冷却管就是用导热性好的铜合金制造的。

热膨胀性：金属材料受热体积增大，遇冷体积缩小的性能。

零件在工作中，必须考虑金属的热膨胀性能所产生的影响。

例如：汽轮机转子与定子之间要留有足够的间隙，以防机组启动升温时，因其膨胀的差异而产生转子与静子碰撞造成设备损坏事故。

磁性：金属具有被磁化的性质。

铁或铁合金具有良好的磁性，磁性材料是制造电机、电器中不可缺少的材料，如硅钢片或铁镍合金等。

另外还可利用磁性进行磁力探伤，以检查金属材料表面有无裂纹。

耐磨性：金属抵抗磨损的性能。

火力发电厂中，风机叶片、磨煤机等在工作过程中都会受到磨损，为了延长这些设备零件的使用寿命，应选用耐磨性好的材料制造。

金属材料的化学性能：金属材料在发生化学反应时表现出的性质。

金属材料的化学性能主要有抗氧化性和耐腐蚀性等。

抗氧化性：金属材料在加热时，抵抗氧化性气体腐蚀的能力。

火电厂锅炉高温汽水管道，特别是省煤器和空气预热器气管道等，就必须选择抗氧化性好的金属材料制造。

耐腐蚀性：金属材料抵抗介质(空气中的氧，各种酸、碱、盐类的水溶液，水蒸气等)腐蚀的能力。

电厂热力设备中过热器管、水冷壁管和汽轮机叶片等部件是在腐蚀介质的条件下长期工作的，如果这些零部件被腐蚀过多，就会影响设备的安全运行。

所以在选用热力设备零部件时，必须考虑钢材的耐腐蚀性。

金属材料的常温力学性能机械性能（力学性能）：材料在外力作用下所表现出来抵抗变形和破坏的能力。

常用的力学性能指标：强度，塑性，硬度，冲击韧性，疲劳强度，断裂韧性等。

均通过实验测得。

常用的机械性能试验：拉伸试验、硬度试验和冲击试验等。

载荷分为：静载荷载荷的大小、方向均不变或变化缓慢。

动载荷载荷的大小、方向瞬间变化。

交变载荷载荷的大小、方向作周期性变化。

变形分为：弹性变形外力去除后变形能完全消失。

塑性变形外力去除后变形不能完全消失。

内力：在外力作用下材料内部产生的抵抗力。

应力：单位面积上内力的大小。

用σ（西格玛）表示(一)、强度：金属材料在外力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。

抵抗能力越大，则强度越高。

根据载荷作用方式不同，强度可分：抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度等五种。

其中以抗拉强度最易测得。

拉伸试验：把制成规定形状和尺寸的试样装在拉力试验机上，对试样施加缓慢递增的拉力，使它不断产生变形，直到拉断为止，根据拉伸试验过程中的载荷及与载荷相对应的变形量，可以画出材料的拉伸试验曲线。

拉伸试验的试样：长试样l0=10d0 短试样l0=5d0低碳钢的力—伸长曲线1、与p点非常接近的另一特性点e，称为弹性强度，与e点相对应的应力值σe 称为弹性强度。

σe的单位为MPa(兆帕)。

如外应力比σe低时，试样只产生弹性变形。

弹性强度σe反映了抵抗弹性变形能力的好坏。

金属材料的σe值越大，说明材料抵抗弹性变形的能力越好。

2、屈服强度σs（Re ）s点称为屈服点。

开始发生屈服现象时的应力称为屈服强度。

用σs （Re ）表示。

（Re ）反映了金属材料抵抗塑性变形能力的好坏。

金属材料的σs （Re ）值越大，说明材料抵抗大量塑性变形的能力越好。

（Re ）通常作为设计零件的依据。

条件屈服极限σ0.2：工程中常用残余变形量（0.2%l0）时应力作为规定非比例延伸强度（条件屈服极限），用（Rp0.2 ）表示。

3、过了s点，由于产生塑性变形后材料硬化，增加了抵抗变形的能力，即产生了加工硬化。

因而曲线又开始上升，到达b点，应力达最大值。

与b点所对应的应力值σb （Rm ）称为抗拉强度，单位为MPa。

抗拉强度（Rm ）反映了材料抵抗断裂破坏的能力。

金属材料的σb （Rm ）值越大，抵抗断裂破坏的能力越好。

提高强度对于减小零件尺寸、重量，提高承载能力，增加零件使用可靠性等均有重要意义。

在工程上使用的金属材料，不仅要求高的屈服强度Rm，同时还要求具有一定的屈强（Re/Rm）。

屈强比越小，零件的可靠性愈高，在万一超载的情况下，能由于塑性变形时强度提高而不致立刻断裂，屈强比太小，则材料的强度利用率太低会造成浪费材料。

(二)、塑性：金属材料在外力作用下，产生塑性变形而不被破坏的能力。

常用的塑性指标有延伸率δ（A）和断面收缩率Ψ（Z ）延伸率：试样拉断后的总伸长与原始长度比值的百分率，用A表示A＝（L-L0）/ L0Xl00％式中A ——延伸率，％；L——试样拉断后的长度，mm；L0——试样原始长度，mm。

延伸率A越大，材料的塑性越好。

延伸率A≧5%的材料为塑性材料。

延伸率A﹤5%的材料为脆性材料。

塑性好的材料便于成型加工，如锻压、冷冲和冷拔等良好的塑性使零件在万一过载时能由于塑性变形使材料强度提高，避免突然断裂断面收缩率：试样拉断后断面缩小的面积与原断面面积比值的百分率，用（Z ）表示，即：Z=（S0- S1）/ S0 Xl00％式中Z——断面收缩率，％S0——试样原来的断面面积，mm2S1——试样拉断后的断面面积，mm2材料的Z愈大，则表示其塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形。

(三)、硬度硬度：金属材料抵抗硬物体压入表面的能力。

或金属材料的软硬程度。

硬度试验：以一个极硬的球体或锥体压入金属的表面，以压痕的面积或深度来衡量金属材料硬度的大小。

测定硬度的常用方法有：1．布氏硬度（HB）原理：用压痕单位面积上所承受的压力来表示。

受力越大，压痕越大。

用规定载荷P把直径为D的钢球压入试样表面并保持一定时间，然后卸除载荷，这样便在金属材料的表面留下了一个直径为d的压痕。

布氏硬度值：压痕单位面积上所承受的压力。

符号HB计算公式：式中 HB ——布氏硬度，MPa ；F ——加在钢球上的载荷，N ；S ——压痕表面积，mm2；布氏硬度的表示方法： 120HBS10/1000/30♦ 硬度数据♦ 布氏硬度符号当压头为钢球时（用于HB ≤450的材料），布氏硬度符号为HBS当压头为硬质合金球时（用于HB ＝450－650的材料），布氏硬度符号为HBW ♦ 球体直径♦ 载荷♦ 载荷保持时间（10-15s 不标注）从本质上说，硬度是反映材料抵抗局部塑性变形的能力，与强度属于同一范畴，所以材料的硬度与强度之间有一定关系。

根据硬度可以大致估计材料的抗拉强度。

碳钢与一般的合金钢，HB 值与Rm 抗拉强度值之间可用近似公式进行换算：♦ HB ＜175时，Rm 抗拉强度＝3.6HB(Mpa)♦ HB ≥175时，Rm 抗拉强度＝3.5HB(Mpa)特点：（1）布氏硬度的单位为MPa ，但习惯上不 标其单位，例如HB ＝230MPa ，可写为HB230。

(2)布氏硬度值以单位压痕面积上承受的压力来表示。

(3) 测量精度较高，试验数据稳定，但操作缓慢，压痕大，不宜作大量成品零件和硬度较高(HBS>450)金属材料的测试。

2．洛氏硬度（HR)原理：根据压痕深度定出硬度数值。

测试方法：用一个顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm 的淬火钢球，在一定压力下压入被试材料表面，然后根据压痕深度定出硬度数值。

♦ 洛氏硬度表示：一无名数，置于符号HR 的前面表示，HR 后面为适用的标尺。

♦ 例如：50HRC 表示用C 标尺测定的洛氏硬度值为50特点：（1） 压痕面积小，可用来测量成品或半成品的硬度。

测硬度值离散性较大，因此，最好多测几个点，取其平均值。

（2）操作迅速简便，可直接在表盘上读数。

（3）测量范围较广，可测量从较软到较硬的金属材料。