锅炉用材料

有一定抗氧化能力并具有足够强度而不产生大量变形或 断裂的钢种，如高温螺栓、涡轮叶片等。它们工作时要求承受较大的载荷，失效的主要原因是高 温下强度不够。 18.1钢的热稳定性和热稳定钢 一、钢的抗氧化性能及其提高途径
工件与高温空气、蒸汽或燃气相接肽表面要发生高温氧化或腐蚀破坏。因此，要求工件必须具 备较好的热稳定性。
第15章 锅炉及压力容器常用钢材 15.1. 锅炉及压力容器对钢材性能的要求 按工作条件分为两大类： 一、用以制造室温及中温承压元件的钢板与钢管 具有特点：
1有较高的室温强度
通常以屈服极限 和强度极限 为设计依据，要求有较大的 和 良好的韧性性能
σs
σb
σs σb
材料需具有足够的韧性防止脆性断裂，在考虑强度的同时也不能忽略韧性，
随着温度的升高，耐热钢抵抗塑性变形和断裂的能力不断降低，这主要是由Байду номын сангаас下两个因素造成 的：
（1）影响耐热钢的软化因素。随着温度的升高、钢的原子问结合力降低原子扩散系数增大，从 而导致钢的组织由亚稳态向稳定态过渡、如第二相的聚集长大、多相合金中成分的变化、亚结构 祖化及发生再结晶等这些因素都导致钢的软化。
15.6. 不锈耐酸钢 是不锈钢（耐大气）和耐酸钢（不锈）的总称， 铬不锈钢——1Cr13多用作化工机器中受力大的耐蚀零件，如轴，活塞杆，阀件，螺栓，浮阀等 0Cr13,Cr17Ti F 组织，有良好塑性 铬镍不锈钢——1Cr18Ni9 18-8不锈钢 有较高的抗拉强度，较低屈服点，极好的塑性和韧性，焊接性能和冷弯成型性能好，用来制造贮 罐，塔器，反应釜，应用最广。 15.7. 低温用钢 深冷分离，空分，液化气贮罐低温使用。 低温钢平均含碳量0.08～0.18%，单相 F 组织，加入适量的 Mn,Al,Ti,Nb,Cu,V,N 等元素改善钢的 综合机械性能。 常用低温用钢 1) 低合金低温用钢 16MnDR -40℃ 机械性能优于一般低碳钢 2) 镍钢 2.25% -60℃ 3.5% -100℃ 9% -200℃ 3) 高锰奥氏体钢 15Mn25Al4其中 Mn 是形成 A 的基本元素，Al 作为稳定 A 的元素。 4) 铬镍奥氏体不锈钢 18-8奥氏体不锈钢 国外低温设备用钢，以高铬镍为主，其次用镍钢，铜，铝。
（2）形变断裂方式的变化。金属材料在低温下形变时一般都以滑移方式进行，但随着温度的升 高，载荷作用时间加长，这时不仅有滑移，而且还有扩散形变及品界的滑动与迁移等方式。扩散 形变是在金属发生变形但看不到滑移线的情况下提出的。这种变形机制是高温时金属内原子热运 动加剧 ，致使原子发生移动，但在元外力作用了原子的移动无方向性，故宏观上不发生变形； 当有外力作用时，原子移动极易发生且有方向性，因而促进变形。当温度升高时，在外力作用下 晶界也会发生滑动和迁移 ，温度越高，载荷作用的时间愈长，晶界的滑动和迁移就越明显。
多数小于0.2%。其组织多数仍为 F+P。由于少量合金元素的加入可以大大提高钢材的强度，并改
善了钢材的耐腐蚀性能和低温性能。
低合金钢可轧制成各种钢材，如板材，管材，棒材和型材等。它广泛用于制造远洋轮船、大跨度
桥梁，高压锅炉，大型容器，汽车，矿山机械及农业机械等。
大型化工容器材料采用16MnR，生量比碳钢可减轻1/3。用15MnV 制造球形贮罐，与碳钢相比节 省45%。 焊接 15.5. 低合金热强钢 在原油加热，裂解，催化设备中，常用到许多能耐高温的钢材。如裂解炉管，要求承受650～800℃ 高温。 20号钢在540℃下于氧化性气体中，因氧化强度只有50MPa。因为石墨化。 常用的抗氧化钢 ——Cr13SiAl,Cr25Ti,Cr17Ti,Cr25Ni2 热强钢 ——12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20
屈服强度 σs 为300-450MPa
16Mn，15MnV，15MnVN 加入合金元素，固溶强化，结晶强化作用 2低碳贝氏体类型钢
屈服强度 σs 为500-700Mpa
14CrMnMoVB 延缓奥氏体分解，得到贝氏体，增加强度 3马氏体型调质高碳钢
屈服强度 为600Mpa 以上
18MnMoNb 和14MnMoNbB 正火加回火，有良好的低温韧性 二、工作温度高于500℃的钢材 低合金热强钢和奥氏体不锈钢 1低合金珠光体热强钢 15CrMo 和12Cr1MoV，结晶强化，沉淀强化 2低合金贝氏体热强钢 12Cr2MoWVTiB 和12Cr3MoVSiTiB，特点：合金数量多而量少，高温强度高，抗氧化性强 3奥氏体不锈钢 18-8型铬镍奥氏体不锈钢：1Cr18Ni9Ti 和0Cr18Ni9Ti，高温强度高，抗氧化性强，且具有很高的 韧性和较好的加工工艺性 15.3. 碳素钢 一、碳素钢中主要成分对性能的影响 1碳的影响 碳增加，强度增大，塑性减少，可焊性变差，时效敏感性降低 2锰的影响 脱氧（FeO）脱硫，改善热加工性能 3硅的影响 脱氧 4硫的影响 热脆性 5磷的影响 冷脆性 6氧的影响 降低强度、塑性
由于容器断裂过程包括在缺陷处形成裂纹和裂纹扩散两个阶段，相应两种防止断裂方法 （1）选用具有足够韧性的钢材以防止裂纹产生，要求如上表所示 （2）选用韧性更高的材料，以求在裂纹产生后能够阻止裂纹扩展。（要求温度比无塑性转变温度
NPT 高一定数值，例如元件的设计应力为屈服极限 σs 一半时，要高17℃
3较低的缺口敏感性 制造过程中，开孔和焊接会产生局部应力集中，要求材料有较低的缺口敏感性，以防止产
生裂纹 4良好的加工工艺性能和焊接性能 由于焊接热循环作用，会 （1）降低热影响区材料的韧性、塑性 （2）在焊缝内产生各种缺陷 其中（1）、（2） 均会产生裂纹 在选材料时需考虑 （1）材料中碳的当量值（保证材料具有较好的可焊性） （2）适当的焊接材料和焊接工艺
（3）材料具有良好的塑性（碳钢和碳锰钢 δs 不低于16%，合金钢 δs 不低于14%）
除了加入合金元素方法外，目前还采用渗金属的方法，如渗 Cr、渗 Al 或渗 Si，以提高钢的抗 氧化性能。 二、热稳定钢
热稳定钢（又称抗氧化钢广泛用于工业锅炉中的构件，如炉底板、马弗罐、辐射管等这种用途 的热稳定钢有铁素体 F 型热稳定钢和奥氏 体 A 型热稳定的钢两类。
F 型热稳定钢是在 F 不锈钢的基础上进行抗氧化合金化而形成的钢种、具有单相 F 基体，表面 容易获得连续的保护性氧化膜。根据使用温度 ，可分为 Cr13型钢、Cr18型钢和 Cr25型钢等。F 型热稳定钢和 F 不锈钢一样，因为没有相变，所以晶粒较粗大，韧性较低，但抗氧化性很强。
A 型热稳定钢是在 A 型不锈钢的基础上进一步经 Si、Al 抗氧化合金化而形成的钢种。A 型热稳 定钢比 F 型热稳定钢具有更好的工艺性能和热强性。但这类钢因消耗大量的 Cr、Ni 资源，故从 50年代起研究了 Fe-Al－Mn 系和 Cr－Mn-N 系热稳定钢 ，并已取得了一定进展。 18.2 金属的热强性 一、高温下金属材料力学性能特点
(1)材料的韧性通常用冲击韧性值 αk 表示。 压力容器用钢的冲击韧性要求
冲击韧性值 αk（N·m/cm2） 20℃ -40℃ >=60 >=35
(2)还需要考虑时效韧性 时效就是钢材经冷加工变形后，在室温或较高温度下，冲击韧性随时间变化。通常在
200-300℃，冲击韧性值显著降低。一般要求下降率不超过50%。
（4）良好的低倍组织 （5）钢材的分层、非金属夹杂物、气孔、疏松等缺陷尽可能减少（防止裂纹的产生） 二、用以制造高温承压元件的钢管 1具有足够的蠕变强度、持久强度和持久塑性 通常以持久强度为设计依据，保证在蠕变的条件下安全运行
2具有良好的高温组织稳定性 长期高温下不发生组织变化 3具有良好的的高温抗氧化性 要求材料在高温条件下的氧化腐蚀速度小于0.1mm/a 4具有良好的加工工艺性 要求冷加工性（冷态弯曲）和焊接性 15.2. 锅炉与压力容器用钢的分类 一、工作温度低于500℃的钢材 碳素钢和低合金结构钢 1 铁素体-珠光体结构钢
瞬时性能是指在高温条件下进行常现力学性能试验所测得的性能指标。如高温拉伸、高温冲击 和高温硬度等。其特点是高温、短时加载 ，一般说来瞬时性能 P 是钢热强性的一个侧面，所测 得的性能指标一般不作设计指标，而是作为选择高温材料的一个参考指标。
长时性能是指材料在高温及载荷共同长时间作用下所测得的性能、常见的性能指标有：蠕变极 限、持久强度、应力松他高温疲劳强度和冷热疲劳等（详见金属力学性能地这是评定高温材料必 须建立的性能指标。 二、热泪性的影响因表及其提高途径 1.影响耐热钢热强性的因素
第18章 耐热钢及高温合金
各种动力机械，加热电站中的锅炉和蒸汽轮机、航空和舰艇用的燃汽轮机以及原子反应堆工程等
结构中的许多结构件是在高温状态下工作的。工作温度的升高 ，一方面影响钢的化学稳定性；
另一方面降低钢的强度。为此，要求钢在高温下应具有
(1)抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化能力
(2)在一定介质中耐腐蚀的能力以及足够的韧性
常温下金属的断裂在正常情况下均属穿品断裂，这是由于晶界区域晶格畸变程度大、晶内强度
低于晶界强度所致。但随温区升高 ，由于晶界区域品格畸变程度小使原子扩散速度增加，晶界 强厦减弱。温度越高，载荷作用时间越长，则金属断裂方式更多地呈晶间断裂。 2.提高钢的热强性途径
基于上述分析，提高钢的热强性主要途径省三个方面基体强化煤二相强化、晶界强化。 （1）基体强化。主要出发点是提高基体金属的原子问结合力、降低固溶体的扩散过程。研究表 明，从钢的化学成分来说，凡是熔点高、自扩散系数小店首提高钢的再结晶温度的合金元素固溶 于基体后都能提高钢的热强性。如 h 基及 M 是高温合金中主要的固 溶强化元素有 Mo、W、Co 和 Cr 等。从固溶体的晶格类型来说，奥氏作基比铁素作基体的热 强性高。这是由于奥氏体的点阵排列较铁素体致密，扩散过程不易进行。如在铁基合金中，Fe、 C，Mo 等元素在 A 中的扩散系数显著低于在 F 中的扩散系数，这就使回复和再结晶过程减慢，第 二相聚集速 度减慢，从而使钢在高温状态下不易软化。 （2）第二相强化。主要出发点是要求第二相稳定，不易聚集长大批在高温下长期保持细小均匀 的弥散状态，因此对第二 相粒子的成分利结构有一定的要求。耐热钢大多用难塔台金碳化物作 强化相，如 MC，M23C6、M6C 等。为获得更高的热强性 ，可用热稳定性更高的全属间化合物。如 Ni3(TiAl),Ni3Ti,Ni3Al 等作为基体的强化相。 （3）晶界强化、为减少高温状态下晶界的滑动，主要有下列途径： ①减少晶界、需适当控制钢的晶粒度。晶粒过细品界多，虽然阻碍晶内滑移，但晶界滑动的变 形量增大、塑变 抗力降低。晶粒过大，钢的脆性增加，所以要适当控制耐热钢的晶粒厦，一般 在2～4级晶粒度时能得到较好的高温综合性能。 ②净化晶界。钢中的 S 和 P 等低熔点杂质易在晶界偏聚，并和铁易于形成低熔点共晶体，从而 削弱晶界强度，使钢的热强性下降。着钢中加入 B、稀土等 元素，可形成高熔点的稳定化合物， 在结晶过程中可作为晶核，使易熔杂质从晶界转入晶内，从而使晶界得到净化，强化了晶界。
7氮的影响 提高强度、硬度，降低塑性 8氢的影响 氢脆 二、碳钢的分类 化学成分：高（含碳量在于0.65%）、中（含碳量0.25-0.65%）、低碳钢（含碳量小于0.25%） 用途：普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和碳素工具钢 1普通碳素结构钢 甲类钢：按机械性能供应（A），钢板，角钢等 2优质碳素结构钢 按机械性能和化学成分供应 含碳量低：钢板、容器、螺钉、螺母 含碳量中：齿轮、轴 含碳量高：弹簧、钢丝绳 3碳素工具钢（T） 高硬度和耐磨性，制造刀具、量具、模具 三、锅炉与压力容器常用碳素钢 承压元件主要使用低碳钢，因为塑性、韧性、加工工艺性和可焊性好 （1）优质碳素结构钢 10号和20号无缝钢管
在室温下，钢的力学性能与加载时间无关，但在高温下钢的强度及变形量不但与时间有关，而 且与温度有关，这就是耐热钢所谓的热强性。热强性系指耐热钢在高温和载荷共同作用下抵抗塑
性变形和破坏的能力。由此可见在评定高温条件下材料的力学性能时，必须用热强性来评定。热 强性包括材料高温条件下的瞬时性能和长时性能。
(3)具有良好的加工性能及焊接检
(4)按照不同用途有合理的组织稳定性。
耐热钢是指在高温下工作并具有一定强度和抗氧化耐腐蚀能力的钢种，耐热钢包括热稳定钢和
热强钢。热稳定钢是指在高温下抗氧化或执高温介质腐蚀而不破坏的钢种 ，如炉底板、炉栅等。
它们工作时的主要失效形式是高温氧化。而单位面积上承受的载荷并不大。热强钢是指在高温下
20号钢含碳量比10号钢多一倍，强度高，屈服极限 σs 和强度极限 σb 高20%，时效敏感性低，多
采用20号钢 （2）专用碳素钢 A3g A3R 15g 20g，冲击韧性好，金属表面和内部缺陷少 15.4. 普通低合金结构钢
低合金钢是在碳素钢的基础上加入少量 Si,Mn,Cu,Ti,V,Nb,P 等合金元素构成的，它的含碳量较低，