锅炉用钢材性能特征

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锅炉金属材料

作者：QIN 提交日期：2011-01-14 03:35:53 PM | 访问量：913

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σe；

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σs和抗拉强度σb。金属材料在超过σs的应力下工作，会使零件产生塑性变形；在超过σb的应力下工作时，会引起零件的断裂破坏。σb是试件被拉断前的最大负荷Pb与原横截面积F0之比，σb = Pb / F0，单位为MPa；屈服强度或屈服点σS是指金属材料在拉伸试验中，外力已经超过弹性极限σe，虽然应力不再增加，但试件仍在伸长，试件产生比较明

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来自：四川省自贡市显的塑性变形，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，δ= [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ψ=[F-F1]/F*100%；

冲击韧性：金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G B4161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δC；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σ-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σT 1×10-5表示（在T℃时引起的蠕变速度为1×10-5%/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σ1.10-5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σT 1/105表示（在T℃时工作105h，其总变形量为1%的应力值；如σ1/105代表经100000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σT 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σT 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-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 17

Cr-Mo钢 23 25Cr-20Ni不锈钢 15

Cr-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δ及断面收缩率ψ，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δ不得低于3-5%。

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