金属在长期高温运行中的变化和锅炉用钢的选择

金属在长期高温运行中的变化和锅炉用钢的选择

一、金属在长期高温运行中的变化

简介：金属在高温长期运行过程中的变化主要有：

A、金属的蠕变和应力松弛；

B、金属在长期高温运行中发生的组织和性能变化；

C、金属在高温下的腐蚀和其它特殊损坏。

1、钢的一些高温性能

1．1 蠕变

1．1．1概念

金属在一定温度和应力（即使该应力小于该温度下的屈服强度）作用下，随时间的增加，缓慢的发生塑性变形的现象称为蠕变。蠕变的变形量称为蠕胀。

1．1．2蠕变曲线

金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述。蠕变曲线分为三个阶段：蠕变第一阶段，过渡蠕变阶段，蠕变速度逐渐减小；蠕变第二阶段，稳态蠕变阶段，以恒定速度蠕变；蠕变第三阶段，加速蠕变阶段，蠕变速度逐渐增大。

1．1．3蠕变极限的表示方法

（1）以一定的工作温度下引起的规定的第二阶段蠕变速度应力值表示,所用符号为σ

-7；（蠕变允许速度为10-5％/h）

1x10

（2）以一定工作温度下，规定时间内钢材发生一定的总变形量时的应力值表示σ1/105上述两种表示中，当所确定的变形量之间相差很少，可以认为这两种方法是一致的。1．1．4蠕变变形的机理（介绍位错滑移蠕变机理）

在整个蠕变过程中有两种过程在进行：

（1）新位错的产生及位错运动遇到障碍受阻；

（2）受阻位错从障碍中解放出来而重新运动。

由于这两种过程的总和，每一瞬间，总有一定数量的位错准备运动，而蠕变速度正取决于准备运动的位错数。因此，可以这样理解，当两种过程的总和使准备运动的位错数目减少时，造成了蠕变速度的减小，即蠕变第一阶段；当两个过程的总和造成准备运动的位错数目

一定时，使蠕变处于等速阶段，即蠕变的第二阶段；当两个过程的总和使准备运动的位错增加时，就使蠕变过程加速，形成了蠕变的第三阶段。

1．1．5影响因素

（1）温度越高，应力越大，蠕变速度越大；

（2）温度波动使钢的蠕变极限降低；

（3）复杂应力条件下蠕变极限与单相拉伸差别很小，单相拉伸的蠕变极限略高一些。1．2持久强度：一定温度下，经过一定的时间破坏时所能承受的应力值，表示金属材料在高温长期应力作用下，抵抗断裂的能力，所用符号为σ105。

1．3持久塑性

1．3．1概念

持久塑性是高温工作下部件材料的一个重要指标，它是通过对持久强度试验断裂后的试样测定其延伸率及断面收缩率来确定。

1．3．2影响因素

（1）运行时间：在恒定温度下，开始时，持久塑性随着运行时间的增加而减小，达到一最小值后，运行时间再增加，持久塑性反而增加；

（2）运行温度：运行温度越高，持久塑性越高，且最小值出现的时间越早；

（3）合金元素：铬、硅对珠光体耐热钢持久塑性起有利作用，而钒、钼使钢的持久塑性降低；

（4）晶粒大小：粗晶粒使奥氏体的持久塑性降低，对珠光体钢的持久塑性影响不显著。

（5）原始组织：完全的贝氏体组织持久塑性最低，珠光体加铁素体的组织塑性最高。过去，由于贝氏体具有高的持久强度和抗松弛性能，所以片面追求贝氏体组织的作法是值得推敲的。

1．4应力松弛

1．4．1概念

零件在高温和应力作用下，随着时间的增加，如果总的变形量不变，应力值却在缓慢降低，这种现象称为应力松弛。因此，应力松弛过程就是金属在高温下弹性变形自动转变为塑性变形的过程。

1．4．2松弛曲线

松弛曲线分为两个阶段，第一阶段：应力随时间快速降低；第二阶段：应力随时间的延长接近于定值。

1．4．3松弛机理

在松弛的第一阶段主要是扩散的过程，这一过程使金属内部的应力快速降低；第二阶段起主导作用的是晶内嵌镶块在应力作用下的移动和转动。

对于目前用的多的低合金铬钼钒钢来说，还要考虑在运行中产生的热脆性引起的晶界上碳化物的聚集或磷的富集，以及碳化物和铁素体成分的改变（合金元素的重新分配）和碳化物颗粒大小和结构的改变对松弛过程的影响作用。

1．4．4影响因素

（1）温度越高或者初应力越大，剩余应力就越小；

（2）重复加载能提高钢的抗松弛性能。

1．4．5松弛和蠕变的关系

松弛和蠕变有差别也有联系。蠕变和松弛发生的条件不同：蠕变过程是在恒定应力下变形随时间的增加过程，只要应力存在，蠕变就会在这个温度下进行下去；松弛过程却是在总变形不变并继续存在的条件下，松弛随着时间增加慢慢接近于它的松弛渐近线，也可以说，当应力接近于零时，就不再发生松弛了。但是，我们可以把松弛看成是应力逐步随时间降低的蠕变现象，则二者本质是一致的。

2、金属在长期高温运行中组织性能的变化

锅炉、汽轮机高温部件所用钢材在高温下长期运行中发生的组织性质变化主要有：（1）珠光体的球化和碳化物的聚集；

（2）石墨化（仅限于不含铬的珠光体耐热钢）；

（3）合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配；

（4）热脆性；

（5）时效和新相的形成。

2．1珠光体球化和碳化物聚集

珠光体中的碳化物由片状转变成球状，也称为珠光体球化。球化后的碳化物继续长大，使小直径球变成大直径的球，这就是碳化物的聚集。球化严重时，珠光体的区域形态完全消失，球状碳化物则聚集在铁素体的晶界上，成为双重晶界，这种双重晶界实际上是沿晶界呈条状的碳化物。只有当球化严重时，才会危及安全。

2．1．1产生原因

渗碳体由片状转化为粒状，自由能降低，是一种自发趋势，随着时间的延长，小球聚集成大球，此时，碳化物在钢中分布也发生变化，所以，对珠光体型热强钢，反映其热强性老

化的指标，除碳化物球化外，还有从铁素体中析出的碳化物的大小、数量和分布。2．1．2危害

使钢材的室温力学性能（强度极限和屈服点）降低；使蠕变极限和持久强度下降。2．1．3影响因素

（1）温度：温度越高，则球化过程进行得越快。

（2）时间：当温度一定时，运行时间性愈长，则球化愈严重。

（3）应力：运行时钢材所受应力将促使球化过程加剧。

（4）钢的化学成分：凡是能形成稳定碳化物的合金元素，都能减慢珠光体的球化过程。（5）原始组织：退火组织比常化组织的钢珠光体球化的倾向要小一点。

（6）钢的晶粒大小和冷变形的影响：晶粒小球化倾向大；冷变形加快球化过程。

（7）向火面的影响：向火面球化严重。

注意：球化分为5级，试图用单一的球化级别标准来判废钢材，即以球化级别作为单一的割换管子的标准，超过了目前的水平。

2．2石墨化

在高温和应力长期作用下，碳钢和含钼的低合金钢中渗碳体易分解成铁和石墨。Fe3C=3Fe+C

2．2．1产生原因

Fe3C是亚稳定相，石墨比较稳定，析出后能继续长大。

2．2．2危害

石墨本身强度极小，可看成孔洞和裂纹，破坏基体连续性，减小承载面积，造成缺口敏感性，冲击韧性下降极为严重。

2．2．3影响因素

（1）温度的影响：温度的长期作用下，碳钢在450℃以上，0.5%Mo钢在480℃以上开始石墨化，温度越高，石墨化过程越快；

（2）合金元素的影响：用铝脱氧的钢大多数会有石墨化倾向（脱氧时铝控制在0.25公斤/吨），镍和硅与铝类似，促进石墨化的发展。铬、钛、铌等元素阻止石墨化，长期运行证明低碳铬钼钢不产生石墨化的发展；

（3）晶粒大小和冷变形的影响：由于石墨沿晶界析出，所以粗晶粒钢比细晶粒钢的石墨化倾向小；冷变形促进石墨化过程；

（4）缺陷的影响：金属中的裂纹和重皮常常最容易产生石墨化；