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第二章 金属材料的高温特性,2-1 金属材料的机械性能 一、强度 金属在受力时抵抗破坏的能力称为材料的强度。有抗拉、抗压、抗弯、抗扭强度等指标。可用极限应力值表示。e 弹性极限，不产生永久变形，所能承受的最大应力，。s屈服极限，不增加负荷，变形增加的最小应力，。b强度极限，金属发生破坏时承受的最大应力，。,二、塑性 应力超过屈服点后，材料产生永久变形而不发生断裂破坏的能力。可以用延伸率和断面收缩率来表示。,=,%,=,%,三、硬度材料抵抗硬的物体压入其表面的能力，常用布氏硬度和洛氏硬度两种表示方法。四、冲击韧性定义：抵抗冲击负荷的能力。,2-2 金属疲劳1定义 金属材料在交变应力（随时间作周期性改变的应力）的长期作用下发生断裂破坏的现象称为金属疲劳。金属疲劳最易发生在做旋转或往复运动的承载部件上，如汽轮机的转子、叶片等。2 疲劳破坏的特征 由于频繁的设备启、停，变负荷运行时压力和温度的变化和波动，因此疲劳破坏的特点是突然性的。,3.疲劳的分类 按照试验破坏前经历的负荷循环周期的多少分为：高周期疲劳:周期 小时 例如：热疲劳低周期疲劳:周期 小时 例如：腐蚀疲劳,4.疲劳产生的原因 一般认为在交变应力作用下，虽然应力小于强度极限，但由于金属材料表面或内部有毛刺、划痕及夹杂等缺陷，造成应力集中而导致微裂纹，由此造成疲劳源，在交变应力的长期作用下裂纹逐渐扩展，直至破坏。5.疲劳极限 金属材料承受疲劳的能力可以用疲劳极限衡量。,6影响疲劳极限的因素 内在因素：材料本身的强度、塑性、组织结构、纤维方向、内部缺陷等，材料的强度和塑性越好，抗疲劳断裂的能力越大。外在因素：零件的工作条件、表面光洁度等。内部有夹杂、表面光洁度低，有刀痕和磨痕，都可以引起应力集中而使疲劳极限下降。另外，在酸性、碱性、盐的水溶液等腐蚀性介质中长期工作的金属制品，表面会发生腐蚀，腐蚀产物嵌入金属内，会造成应力集中而使疲劳极限下降。,150 电厂 1机转子裂纹A处形貌照片,1机转子裂纹B、C处形貌照片,1机转子裂纹D、E、F、G、H、I、J处形貌照片,2-3 金属蠕变,1.金属的蠕变现象 金属在高温条件下工作，虽然受到的热应力较小，但长期在该应力的作用下，也会发生缓慢的但是连续的塑性变形。金属在一定的温度和压力下，随时间的延续所发生缓慢的连续的塑性变形现象称为蠕变现象，金属的变形称为蠕变。不同的金属材料，开始发生蠕变的温度各不相同，速度也不相同，且温度越高，蠕变现象愈显著，普通碳素钢约在200350,合金钢则在400以上。,电厂热力设备中，长期工作在高温下的过、再热器管道等都会发生蠕变现象，严重时会造成管壁变薄，强度下降，最后引起爆管破坏。引起蠕变的应力可能是一种，也可能发生在复杂的应力下，多数情况下，引起蠕变的应力主要是由于拉应力。2蠕变过程（曲线）金属蠕变时，其变形（）与时间（）的关系曲线称为金属的蠕变曲线。典型的蠕变曲线如图23所示，大致可以分为四个部分：,瞬时变形oa 开始加载后的瞬时变形，如果加载力超过金属在该温度下的弹性极限，变形则包括弹性变形和塑性变形。第一阶段ab特点：减速阶段，变形速度逐渐下降。第二阶段bc特点：稳定阶段，变形速度保持平稳。第三阶段cd特点：加速阶段，直至材料发生破坏。,3.应力与温度对蠕变的影响 不同材料在相同条件下蠕变曲线不同，同一材料随着应力与温度的不同，蠕变曲线也不相同。从图2-4中可以看出，应力与温度对蠕变的影响相类似，相同温度下，材料蠕变的第二阶段，随着应力的增大而缩短，应力越大，蠕变速度越大，应力越小，第二阶段持续时间越长，甚至不出现第三阶段。蠕变直接影响到零部件的寿命，因此，运行时不允许有较大的变形量，对蠕变变形量有严格的要求。因此，对这些部件进行强度计算时，要以蠕变极限作为强度计算指标。,4蠕变极限试件在一定温度下，在规定时间内，产生小于某规定值的蠕变变形量或蠕变速度时的最大应力称为蠕变极限。用 或 表示。式中：应力，Mpa,t 工作温度，持续时间，h 变形量，%变形速度，%例：表示试件在700，持续时间为10000h，产生的变形量为1%时，能承受的最大应力。,5持久强度 试件在某一温度下，在规定时间内，引起断裂的最大应力值称为持久强度。=30Mpa，表示在700时，持续时间为100h，持久强度为30MPa。以上二种指标都能反映金属材料的高温性能，但侧重点不同。蠕变极限以材料变形为主，如汽轮机叶片，只允许产生一定的变形，设计时必须考虑蠕变极限。持久强度对材料变形要求不严格，如锅炉受热面管子，要求运行中不发生爆管即可，以持久强度作为高温强度的性能指标。,6影响蠕变的因素 通常认为蠕变取决于合金的化学成分、冶炼工艺、晶格大小及工作温度等。化学成分 普通碳钢抗蠕变性能较差，蠕变起始温度大约为300。加入Cr、Mo、V、W等合金可以提高金属的抗蠕变性能，尤其以Mo最有效，特别是含有大量铬的高合金的铬镍铜钢有很好的抗蠕变性能，蠕变起始温度可以提高到400以上。冶炼工艺 电炉钢优于平炉钢，电炉钢中高频炉钢优于电弧炉钢。晶粒大小,实践证明，高温下，粗晶粒钢具有较高的抗蠕变性能，但晶粒变粗会降低材料的塑性和韧性。温度 温度越高，金属抗蠕变性能减弱，另外，温度的波动会加快钢材蠕变速度，例如，15CrMo钢材，在485535之间波动时，比处于510条件下，蠕变速度高35倍。因此，温度波动对金属工作很不利。,7蠕变监督 重要热力设备应对其进行蠕变变形监督，尤其在高温下蒸汽管道、联箱、汽缸等部件更重要。目前，测量管道蠕变变形表现为直径胀大这一现象。用不锈钢做成一定形状的测点，运行中定期测量，进行结果换算。,2-4 金属的松弛,1定义 在一定高温和一定应力状态下，总变形保持不变，应力随时间逐渐降低的现象，称为金属的松弛。o=p+e=常数（26）式中 o松弛开始时金属的总变形；p塑性变形；e弹性变形；=Ee（27）式中 金属的弹性应力；E材料的弹性模数。,图25 p 与e 之间的关系,在松弛过程中，弹性变形e减小，塑性变形p增加，所以应力降低。紧固好的法兰螺栓，在运行中又自行变松的现象可以用松弛的理论来解释。2.金属松弛的防止 金属的这种松弛现象使螺栓初紧力下降，导致法兰结合面漏汽，因此，要采取一定的措施。可以选择抗松弛性能好的材料做螺栓，提高初紧力。,2-5 金属的脆化,钢材发生脆化现象大致可分为两类：一类是在温度条件下出现的脆性，当温度条件改变后，脆性自动消失；或在一定温度下，经过一段时间后出现的脆性，但金属的组织并无明显变化，属于此类的有冷脆性、兰脆性、热脆性和回火脆性等。另一类是金属受到交变应力作用、介质的侵蚀及在高温下长期工作后，因金属组织的改变而引起的脆化现象。这种脆性一旦出现，一般难以消除。本节讨论第一类脆性情况。,1.冷脆性低温下金属材料呈现的脆性称为冷脆性。部件在低温下发生的低应力脆断，都是冷脆性所致，冷脆性与金属的晶格有关，仅产生于具有体心立方晶格的金属中，如铁，钨等，具有面心晶格的铝，镍，铜，及其合金不发生低温脆断特性，为避免冷脆性造成的事故，应知道材料的低温脆性转变温度（FATT）令其工作在FATT之外。,例如某电厂1汽轮机是上海汽轮机厂早期产品，按规程中参考启动曲线，从锅炉点火到满负荷需要510min，但实际启动时一般在600min左右。原因如下：中速暖机时，中压缸转子无法接近或渡过FATT，延长了启动时间。低负荷暖机时，高、中外缸温升率太慢，延长低负荷暖机时间。利用盘车预热的方法，冷态启动，从锅炉点火到满负荷用370min，缩短了200min，节约大量燃料，盘车预热有利于加快转子达到或超过FATT。,影响冷脆性的因素，主要有合金元素，加载速度、晶粒度和热处理方式等。合金元素 加入Ni,Mn可使FATT降低，随着C、P、Si的增加，FATT有明显的升高。加载速度 缓慢加载可降低FATT且使它的范围扩大（曲线平缓）；快速加载不但提高FATT，且使它的范围变小（曲线变陡）。,热处理方式 不同的热处理方式得到的金相组织有差别。不同的冷却方式对影响不同。具体有下列结果：随炉冷却空气冷却油冷却水冷却，随着硬度的增加，塑性（）变差。晶粒大小 细晶粒钢比粗晶粒钢具有较高的冲击韧性。,2.兰脆性 钢材在200dec300dec范围内，钢材强度升高而塑性降低的现象称兰脆性。因为，在此温度范围内，金属表面锈膜呈兰色。3.热脆性 长期处于400500之间的钢材、冷却到常温时，冲击强度明显降低，具体可降低5060，甚至更高，几乎所有的钢材都具有若脆性，低合金镍铬钢、锰钢最易产生热脆性，另外，钢材的缺陷，不论宏观，还是微观（气孔、划痕、夹杂），都会造成金属热脆性。,2-6 热应力,一、热应力的基本概念 在热力机械中，由于温度变化引起受热零件的变形（包括膨胀和收缩），这种变形统称为热变形。如果这种热变形受到约束，则在物体内会产生应力，这种应力称为热应力，又称温度应力。当温度变化时，如果物体内各点的温度分布是均匀的，且它的变形不受约束(即可以自由膨胀或收缩),这时物体即使有热变形，也不会产生热应力。,对均质物体进行加热或冷却时，如果物体内的温度不是均匀分布，沿物体温度梯度方向按直线或抛物线规律变化，这时，即使物体两端没有约束，由于物体内各部分纤维之间的膨胀或收缩不相等，物体各部分同样会产生热应力。此时，高温区为压缩热应力，低温区为拉伸热应力。对于不均质物体或者由各种不同线膨胀系数的几种材料组合成的物体，即使整个物体内温度分布是均匀的，物体内部同样会产生热应力。,总之，当物体内温度变化时，由于受其它不能自由伸缩的物体的约束或者受到物体内部彼此间的约束而产生热应力。由此可知，引起热应力的根本原因是在温度变化时物体变形受到约束所致。而产生热应力的约束条件大致可以归纳为外部变性的约束、相互变形的约束、内部各区域之间变形的约束三种。,2-7 火电厂高温金属常见的事故,一、锅炉管道爆管 锅炉受热面管子是在高温、应力及腐蚀介质作用下长期工作的。在运行中，当管子材料不能抵抗其承受的负荷时，就会发生不同形式的损坏而造成事故。火力发电厂中锅炉受热面管子常见事故主要有以下几种类型：长时间超温爆管、短时超温爆管、材质不良爆管及腐蚀性热疲劳裂纹损坏。,1.超温爆管 锅炉受热面管子在运行过程中会产生蠕变现象。在规定限度内少量的蠕变变形是允许的，对于正常运行影响不大。如果运行中由于某些原因使管壁的温度超过了额定温度，将使蠕变速度加快，持久强度降低，从而使管子达不到设计要求而提早爆破损坏。这种由于蠕变而发生的损坏称为长时间超温爆管或一般性蠕变损坏。长时间超温爆管一般发生在过热器管上，特别是高温过热器出口段的外圈向火侧。,锅炉受热面管子在运行过程中，由于冷却条件的恶化等原因，使部分管壁温度在短时间内突然上升，以致达到钢的临界点以上的温度。在这样高的温度下钢的抗拉强度急剧下降，管子发生大量塑性变形，管径胀粗，管壁减薄，随后产生剪切断裂而爆破，这种损坏称为短时超温爆管。短时超温爆管具有撕裂状韧性断口特征。短时超温爆管大多发生在水冷壁管热负荷最高处。,高过爆口图片(长期超温）,后屏爆口图片,8号炉高温过热器爆管示意图,爆管位置图示,首爆管实物照,爆管示意图：（图中红色部分为爆管部位，兰色部分为管壁减薄部位）,2.材质不良引起的爆管 材质不良爆管是指错用钢材或使用了有缺陷的钢材造成管子提早损坏。错用钢材往往是指把性能比较低的钢用到高参数的工况下，实际上是一种超温运行。例如某高压锅炉级减温器，因错用 20 号钢，晶界有蠕变裂纹。,3腐蚀性热疲劳裂纹损坏 锅炉受热面管子的汽水分层，省煤器管子堵塞，过热汽管带水，减温减压阀门间隙性开启，都会引起温度的波动，造成交变热应力，产生热疲劳裂纹。又因为这些管子是处于腐蚀性介质的作用下，疲劳裂纹特别容易产生在腐蚀速度较大的缺口区域（如表面粗糙、划痕、腐蚀坑等），所以称为腐蚀热疲劳损坏。,水冷壁爆口形貌及尺寸,吹灰器吹伤水冷壁形貌,标高18米第130根管爆口实物照片,二、汽轮机叶片的损坏火力发电厂中由于汽轮机叶片断裂而造成的事故比较常见。因此分析叶片断裂原因，采取防止断裂的措施，从而延长叶片使用寿命，对于提高电厂热力设备的效率具有重要的意义。综合现场出现的叶片断裂事故，按照叶片断裂的性质，可以分为短期超载疲劳损坏、长期疲劳损坏、高温疲劳损坏、应力腐蚀损坏、腐蚀疲劳损坏、接触疲劳损坏等六类。,1.短期超载疲劳损坏短期超载疲劳损坏是指叶片在运行过程中，受到外界较大的应力，或是较大的激振力，导致叶片经受振动次数低于 次就发生断裂的一种机械疲劳损坏。防止短期疲劳损坏的主要方法是设法消除低频共振和防止水冲击的发生。,2.长期疲劳损坏长期疲劳损坏是指叶片在运行过程中，承受低于叶片原始疲劳强度的应力，应力循环次数远大于 次所发生的一种机械疲劳损坏。例如，叶片表面有缺陷（如夹杂、腐蚀点坑、划痕等），使叶片局部产生应力集中而提早发生疲劳损坏；由于运行不正常，如低周波动、超负荷运行、低负荷运行等，使叶片某些级的应力升高，导致提早损坏。长期疲劳损坏在电厂叶片事故中最为常见。,防止长期疲劳损坏的主要措施是；消除共振，提高叶片制造质量和安装质量，改善运行条件。消除诸如低周波、超负荷、低负荷、腐蚀和水冲击等不合理的运行工况，都是延长叶片寿命的重要途径。,3.高温疲劳损坏狭义的高温疲劳是指在材料再结晶温度以上所产生的疲劳，广义的高温疲劳是指高于常温所产生的疲劳现象。叶片的工作温度通常低于再结晶温度，如果叶片的损坏特征具有如下现象，即称为高温疲劳损坏。蠕变和疲劳共同作用所形成的高温疲劳是介于由静应力产生的蠕变和动应力产生的疲劳之间的一种损坏形式。在裂纹源部位，蠕变现象明显，在裂纹扩展过程中，尤其是快速扩展区，断裂的性质是持久断裂和疲劳断裂的组合。这种高温疲劳往往伴随着组织的变化。,叶片的高温疲劳发生在高温高压汽轮机的高压缸、中间再热式汽轮机中压缸的前几级以及中压汽轮机的调节级。防止叶片产生高温疲劳损坏的主要措施有：防止共振，防止叶片与叶片之间，叶片与叶轮之间的摩擦，降低介质含氧量和提高叶片材料的高温强度。,4.应力腐蚀损坏 叶片产生应力腐蚀的主要原因是材质问题。首先是在晶界析出碳化物，造成贫铬区，使晶界受到腐蚀，其次是存在应力。应力腐蚀主要发生在 2Cr13 钢制造的末级叶片上。防止应力腐蚀的措施主要是改善材质，消除应力，改善蒸汽品质，避免叶片产生共振。,5.腐蚀疲劳损坏 腐蚀疲劳是叶片在腐蚀介质里受交变应力作用而产生的疲劳损坏。其特征介于机械疲劳和应力腐蚀之间。当裂纹发展速度快时，以机械疲劳为主，裂纹为穿晶型，断口的宏观形貌为贝壳花样，显微形貌具有条纹花样；当裂纹发展速度慢时，以应力腐蚀为主。,6接触疲劳损坏 接触疲劳损坏是由于存在某种振型的振动，使相邻的叶片之间或叶片与叶轮之间产生往复的微量位移，相互接触摩擦的一种机械疲劳损坏。接触应力往往是由于根齿设计不合理，或是安装不良所产生的。叶根的接触面因振动而进行循环往复摩擦，造成根部表面层材料的晶体滑移和硬化，摩擦一定次数后，硬化区便会产生许多平行的显微裂纹，并不断扩展，最终发生疲劳断裂。,三、螺栓的脆断 螺栓的断裂，特别是高温螺栓在运行过程中的断裂是电厂中常见的金属事故。从低合金铬钼钒钢螺栓的断裂事故分析来看，按其断裂特征可分为三种基本类型。1.脆性断裂 在螺栓断裂事例中，脆性断裂占比重最大，其特征是断口粗糙呈结晶状，断裂处无明显塑性变形，有的断口上明显地分为两部分，一部分属于旧的伤口，其表面有严重的锈斑，无金属光泽；另一部分是新断口，具有金属光泽，为结晶状断口。这种现象说明了部分螺栓在断裂前已有裂纹存在，是由裂纹发展引起的断裂。,2.疲劳断裂螺栓的疲劳裂纹一般都产生在螺纹最大负荷扣的最大应力表面上（有的螺栓第一道螺纹上的应力达到全部应力的 50%）或其内部某一缺陷处。一旦产生了裂纹，便在交变应力作用下逐渐扩大，当剩余有效断面不足以承受所加负荷时即发生突然断裂。因此螺栓疲劳断裂的断口常分为疲劳断裂区和静力断裂区。防止螺栓疲劳断裂的措施是改进螺栓结构和保证螺栓材料质量，提高螺栓的加工精度和表面质量。,3.其他断裂类型例如螺栓热紧时由于内孔加热不均匀造成局部温度过高，形成裂纹导致螺栓断裂，这样的断口呈粗晶型脆性断口，有放射状条纹。防止这种断裂的措施是改进加热方法。如果螺栓的初紧力过大也可能造成韧性断裂，断口呈纤维状。防止初紧力过大的措施是螺栓丝扣部分要研磨光洁，且加入防止螺栓咬死的涂料。,