電站用鋼及失效分析

電站用鋼及失效分析第一部分火力發(fā)電廠用鋼第二部分火電廠用鋼的分類第三部分火電廠用鋼的牌號(hào)表示方法第四部分火電廠用鋼的基本性能第五部分火電廠過(guò)熱器、再熱器金屬材料高溫氧化第六部分鍋爐管子常見(jiàn)事故分析及預(yù)防第七部分失效案例第一部分：火力發(fā)電廠用鋼

1、我國(guó)火電站用鋼的現(xiàn)狀及展望

鍋爐部件的工作條件高溫：450℃→

510℃→

540℃→

568℃→700℃（超超臨界機(jī)組）高壓：10MPa→(14～16)MPa(超高壓)→(17～21)MPa(亞臨界)→(24～27)MPa(超臨界)→(30)MPa（超超臨界機(jī)組）高溫氧化、高溫腐蝕、熱循環(huán)、長(zhǎng)期運(yùn)行

火力發(fā)電廠用鋼的發(fā)展與電站鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)等工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)。

電站用鋼的開(kāi)發(fā)需要很長(zhǎng)的周期，建國(guó)以來(lái)我國(guó)電站高溫高壓管用鋼材大多沿用國(guó)外成熟鋼種,國(guó)內(nèi)外實(shí)踐證明12Cr1MoV、2.25Cr-Mo、TP304、TP347等鋼工藝性能良好、運(yùn)行可靠。但為了提高蒸汽溫度和壓力，20世紀(jì)60年代以后各國(guó)（也包括我國(guó)）紛紛致力于開(kāi)發(fā)使用溫度高于580℃低于650℃的鋼種，其成果雖然已有不少應(yīng)用，但都有些缺憾。1983年美國(guó)ORNL在花了8年時(shí)間對(duì)9Cr1Mo鋼進(jìn)行了改進(jìn)后，推出的T91/P91鋼具有優(yōu)良的常溫和610℃以下高溫力學(xué)性能的同時(shí)，還具有良好的加工工藝性能。對(duì)材料的要求高的高溫強(qiáng)度：拉伸、蠕變、持久強(qiáng)度、持久塑性、疲勞高的抗氧化腐蝕性高的組織穩(wěn)定性良好的工藝性能：熱、冷加工性能及焊接性能材料的種類

火電廠用主/再熱蒸汽管道、高溫聯(lián)箱和高溫過(guò)熱器/再熱器管材合金鋼基本可分三大類(1)低合金耐熱鋼：（主要用于高溫高壓機(jī)組）12MoCr、15MoCr、10CrMo910（2.25Cr-1Mo）、12Cr1MoV、15Cr1Mo1V

(2)馬氏體耐熱鋼：（9～12）％Cr系列（主要用于超臨界、超超臨界機(jī)組）

●9Cr1-Mo系列T91／P91T92/P92（NF616，日本）E911（COST“B”，歐洲）●12Cr系列X20CrMoV121（F12）第一代12Cr鋼X20CrMoWV121（F11）12Cr1Mo1WVNb（HCM12）第二代12Cr鋼HCM12A（T／P122）12Cr0.5Mo1.8WVNb(TB12)第三代12Cr鋼11CrWVNbCoBN(NF12)11CrWCoVNbTaNdN(SAVE12)第四代12Cr鋼(3)奧氏體耐熱鋼：Cr18-Ni8（主要用于超臨界、超超臨界鍋爐）

TP304H、TP321H、TP316H、TP347H、TP347HFG、Super304H、HR3C（25Cr-20Ni-Nb-N）

馬氏體新型耐熱鋼

馬氏體耐熱鋼為（9～12）％Cr類鋼，其發(fā)展過(guò)程見(jiàn)下圖（9～12）％Cr類鋼的發(fā)展過(guò)程馬氏體耐熱鋼常用材料的牌號(hào)見(jiàn)下表。鋼號(hào)及技術(shù)條件類似鋼號(hào)X20CrMoV121（F12）HT9（SANDVIK）；X20CrMoWV121（DIN）1X12B2MΦ、2X12MΦBP（ГOCT）1Cr9Mo1T9、P9（ASME）；STBA26、STPA26(JIS)；X12CrMo91(德國(guó))；HT7（SANDVIK）1Cr9Mo2（HCM9M）日本三菱重工和住友株式會(huì)社研制1Mn17Cr7Mo-VNbBZr（17-7MoV）（T91、P91）／10Cr9Mo1VNb（GB5310）X10CrMoVNb91（DIN17175）；TUZ10CDVNb09.01（NFA-49213）T92/P92（ASME、ASTM）NF616（日本）E911（COST“B”）歐洲HCM12A（T／P122日本三菱重工和住友株式會(huì)社研制

可以說(shuō)T91/P91鋼的開(kāi)發(fā)成功是電站用鋼領(lǐng)域內(nèi)近30年努力的突破。我國(guó)于1987年開(kāi)始引進(jìn)使用這種鋼，目前已經(jīng)基本掌握了T91/P91鋼的焊接工藝，同時(shí)也開(kāi)展了T91與鋼102、12Cr1MoV、TP304鋼異種鋼焊接的研究工作。用T91更換鋼102制成的過(guò)熱器和高溫再熱器運(yùn)行的可靠度明顯提高。用P91制成的蒸汽管其管壁厚度可成倍地減小，表1比較了在同樣蒸汽參數(shù)下分別使用2.25CrMo鋼和P91鋼時(shí)鋼管的壁厚。壁厚的減小降低了構(gòu)件的重量，減小了結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力，也減小了制造成本和施工難度。表12.25Cr-Mo、P91鋼經(jīng)濟(jì)性比較

鋼

種

550℃下的許用應(yīng)力/MPa鋼管尺寸/mm重量/kg.m-1

重量比率(%)價(jià)格率(%)成本率(%)2.25Cr-Mo48270×83.7730100100100P9194270×37.12813819072表2大口徑鋼管的經(jīng)濟(jì)性比較

鋼

種

550℃下的許用應(yīng)力/MPa鋼管尺寸/mm重量/kg.m-1

重量比率(%)價(jià)格率(%)成本率(%)2.25Cr-Mo48270×83.7730100100100P2389270×39.4301301167167P92104270×33.141416868X2085270×41.5247247500500P122108270×31.83434170170隨著T91/P91鋼在世界范圍內(nèi)日益推廣應(yīng)用，沿著美國(guó)ORNL開(kāi)發(fā)T91/P91鋼的思路在原來(lái)鋼102、2.25Cr-Mo、X20、TP304等鋼的基礎(chǔ)上又相繼開(kāi)發(fā)出了T122/P122(HCM12A),T92/P92(NF616)和T91/P91一系列鋼種。使用P122、P92和P23鋼的經(jīng)濟(jì)效益見(jiàn)表2。這些鋼相對(duì)于2.25Cr-Mo和X20的明顯優(yōu)勢(shì)是顯然的。它們已在日本的一些電廠使用，我國(guó)也會(huì)在不久的將來(lái)陸續(xù)引進(jìn)使用。

T/P91鋼介紹9Cr－1Mo鋼的發(fā)展歷程T／P91鋼的合金化特點(diǎn)?高的Cr量和少量Al的加入，大大的提高了鋼的抗氧化能力和熱穩(wěn)定性；?高的合金元素含量（Cr、Mo、Mn）增加了固溶強(qiáng)化的能力；?少量N的加入，使鋼的第二相增加，不僅有碳化物，還有氮化物等，增加了沉淀強(qiáng)化的能力；?強(qiáng)碳化物元素Nb的加入，在鋼中形成復(fù)合碳化物Nb（C、N）；?低的P、S含量，使鋼的晶界凈化，提高了晶界強(qiáng)度。

推薦的T／P91鋼管的熱處理工藝ASTMA213－335法國(guó)Vallourec作用正火回火≥1040℃≥730℃1040℃～1090℃780℃±15℃≥1h大多數(shù)碳化物充分溶解而無(wú)晶粒長(zhǎng)大細(xì)小的碳化物在馬氏體結(jié)構(gòu)中均勻沉淀T／P91鋼的熱處理及微觀組織特點(diǎn)

下表為美國(guó)ASTM和法國(guó)Vallourec推薦的T／P91鋼管的熱處理工藝?；鼗瘃R氏體結(jié)構(gòu)＋大量細(xì)小的M23C6型碳化物沉淀相V(C、N)、Nb（C、N），大量的位錯(cuò)密度提高了鋼的持久強(qiáng)度。T91／P91鋼的力學(xué)性能

P91與有關(guān)鋼材室溫力學(xué)性能的比較P91鋼焊接接頭特性（a)沖擊韌性：焊縫＜熔合線區(qū)＜熱影響區(qū)。各國(guó)有關(guān)公司對(duì)P91鋼的焊接接頭的沖擊性能要求見(jiàn)表各國(guó)有關(guān)公司對(duì)P91鋼的焊接接頭的沖擊性能要求國(guó)別或公司抗拉強(qiáng)度Rm（MPa）沖擊功Ak（J）美國(guó)ONRL（橡樹(shù)嶺國(guó)家試驗(yàn)室）600～64081～122美國(guó)ASME第3卷≥68日本神戶鋼鐵公司585～760≥68歐洲BSEN599≥47德國(guó)DIN3252540～50德國(guó)曼內(nèi)斯曼≥68法國(guó)瓦魯瑞克≥68國(guó)家電力公司部門(mén)文件電源質(zhì)［2002］100號(hào)《關(guān)于頒布“T91/P91鋼焊接工藝導(dǎo)則”的通知》≥41（b)沖擊韌性與硬度的關(guān)系（見(jiàn)表1）（c)硬度與斷裂韌性的關(guān)系（焊縫）（見(jiàn)表2）表1沖擊韌性與硬度的關(guān)系母材焊縫熔合線區(qū)熱影響區(qū)HBAk（J）HBAk（J）HBAk（J）HBAk（J）21716420494911171991309212019018091852161662801818222143319172209810190表2焊縫硬度與斷裂韌性的關(guān)系硬度HBδ0.05（mm）δ0.2（mm）δUmin（mm）δUp（mm）2040.1860.322——280——0.0150.02（d)提高焊縫韌性的措施·采取有效的充氬措施?！?yán)格的預(yù)熱措施。預(yù)熱溫度為150～200℃·嚴(yán)格控制線能量。小的線能量可有效地減少碳化物的析出量和鐵素體含量，防止馬氏體晶粒長(zhǎng)大，提高焊縫的擊韌性。·合理的布置垂直焊道與水平焊道。P91焊縫的沖擊值也受到焊道類型的影響，線狀焊道比棒狀焊道的沖擊值高T/P92鋼介紹T／P92鋼的合金化特點(diǎn)T/P92是在T91／P91鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加W，降低Mo含量以調(diào)整鐵素體與奧氏體形成元素的平衡，輔之以B的微合金化，C含量的降低可提高組織穩(wěn)定性，保證最佳的加工性能。T/P92鋼的納標(biāo)——1995年列入ASTMA213、ASTMA335和ASMESA335——1996年列入ASMESA213和ASMESA335T／P92鋼的熱處理及微觀組織特點(diǎn)下表為ASTM和V&M公司推薦的鋼管熱處理工藝。鋼顯微組織為回火馬氏體。ASTMA213/ASTMA335V&M公司作用正火≥1040℃1040℃～1080℃可使大多數(shù)碳化物溶解而晶粒并不長(zhǎng)大。回火≥730℃750℃～780℃（≥1h）使碳化物在馬氏體中均勻析出,獲得最佳的強(qiáng)韌性配合。推薦的T／P92鋼管的熱處理工藝

注：厚壁管必須加速冷卻或淬火處理T／P92鋼的力學(xué)性能

標(biāo)準(zhǔn)材料RP0.2RmδHBA213—A335P22≥205≥415≥30≤163T22≥220A213—A335T／P92≥440≥620≥20≤250A213—A312TP347H≥205≥515≥35≤192注：延伸率為標(biāo)距2″的試樣。T／P92鋼與有關(guān)鋼材室溫力學(xué)性能的比較T／P92鋼的力學(xué)性能

T／P92鋼的屈服強(qiáng)度與溫度的關(guān)系T／P92鋼的抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系P92鋼焊接接頭特性

P92鋼焊接接頭的拉伸、沖擊性能

E911鋼介紹E911鋼的合金化特點(diǎn)鋼中的主要元素除Cr外還有C、N、V和W。少量Nb元素（<0.1%）的加入有助于在1150℃以下正火獲得細(xì)小的原奧氏體晶粒尺寸，從而提高韌性。但是Nb的加入又導(dǎo)致焊接接頭的韌性降低。

E911鋼的熱處理及微觀組織特點(diǎn)（a）熱處理制度為1060℃～1100℃正火和760℃回火。由于對(duì)于E911鋼制造的鍋爐部件的去應(yīng)力和焊后熱處理溫度通常約為750℃，所以沒(méi)有考慮更低的溫度回火。（b）微觀組織特點(diǎn)回火馬氏體組織很明顯：馬氏體板條和高的殘余位錯(cuò)密度。金相觀測(cè)表明，E911鋼在1060℃正火和760℃回火處理之后形成的的回火馬氏體組織處于亞穩(wěn)態(tài)。在試驗(yàn)溫度為600℃～650℃時(shí)，變化發(fā)生的非常緩慢。E911鋼的力學(xué)性能

E911屈服強(qiáng)度的最小值和持久強(qiáng)度的平均值E911鋼焊接接頭特性目前已經(jīng)確定了一種最佳焊縫金屬成分，可使焊縫在初期具有與母材相當(dāng)?shù)捻g性和高溫強(qiáng)度。但是，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，在單軸試驗(yàn)里出現(xiàn)接頭強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，預(yù)測(cè)比母材的強(qiáng)度降低約30%，失效發(fā)生在熱影響區(qū)的Ⅳ型區(qū)。然而，它遠(yuǎn)沒(méi)有首次出現(xiàn)時(shí)那么重要，這是因?yàn)樵阱仩t制造和運(yùn)行時(shí)，應(yīng)力主要是周向分布的，其軸向應(yīng)力約是周向應(yīng)力的50%。如果設(shè)計(jì)主要考慮蠕變，一般避免采用縱向焊縫。E911鋼焊縫金屬的成分P122鋼介紹P122鋼合金化特點(diǎn)

P122鋼可以用于大口徑厚壁管。考慮到抗蝕性，與P91鋼相比，此鋼的Cr含量更高。P122鋼卓越的持久強(qiáng)度是由于用W代替部分Mo并添加少量B。C是抑制δ-鐵素體形成的有效元素，為提高可焊性降低了C含量。為保證大口徑厚壁管的韌性，將Cr當(dāng)量控制在9%以下來(lái)控制δ-鐵素體的形成。通過(guò)添加Cu來(lái)降低Cr當(dāng)量。對(duì)于小徑管，為有效提高抗熱蝕性增加了Cr含量，使鋼中含有微量δ-鐵素體。P122鋼（HCM12A）介紹P122鋼的熱處理及微觀組織特點(diǎn)（a）熱處理特點(diǎn)住友金屬公司生產(chǎn)的規(guī)格為Φ350×50mmP122無(wú)縫管材。熱處理：正火1050℃/1h/空冷和770℃/3h回火。（b）微觀組織特點(diǎn)在供貨狀態(tài)下，材料為回火馬氏體，僅有少量的δ－鐵素體?；鼗瘃R氏體組織在經(jīng)過(guò)蠕變作用后預(yù)期的變化為：位錯(cuò)密度降低以及亞晶長(zhǎng)大

P122鋼的力學(xué)性能

P122鋼600℃時(shí)的許用應(yīng)力值比T91高1.3倍。P122鋼的沖擊值隨時(shí)效溫度和時(shí)間的增加而降低。然而，這種鋼在長(zhǎng)期服役后仍具有足夠高的沖擊值。P122鋼焊接特性P122鋼的碳含量控制在0.14%以下，使其冷裂紋敏感性優(yōu)于P91。P122鋼的抗氧化和抗腐蝕性能形成的氧化皮分為兩層，且氧化皮無(wú)剝落。P122鋼的抗蒸汽氧化抗性能證明優(yōu)于含9%Cr的HCM9M。奧氏體鋼如TP347H和TP321H的氧化皮厚度比鐵素體鋼薄，但TP321H在服役3年后發(fā)生氧化皮剝落現(xiàn)象。P122鋼蒸汽氧化皮厚度與服役時(shí)間的關(guān)系

高溫過(guò)熱器（再熱器）等受熱面管新型奧氏體耐熱不銹鋼

常用材料的牌號(hào)見(jiàn)下表鋼號(hào)及技術(shù)條件類似鋼號(hào)1Cr18Ni9（GB5310）SUS304TB、SUS304TP（JIS）；TP304H（ASME）Super304H1Cr19Ni11Nb（GB5310、GB13296）SUS347TB、SUS347TP（JIS）；TP347H（ASME）；08X18H12B（ГOCT）X10CrNiNb189（德國(guó)）TP347HFG0Cr17Ni12Mo2、TP316H（GB13296）SUS316TB、SUS316TP（JIS）；TP316H（ASME）0Cr18Ni11Ti（GB5310）SUS321TB、SUS321TP（JIS）；TP321H（ASME）；12X18H12T（ГOCT）HR3C常用材料的牌號(hào)

1SUPER304H

日本住友金屬株式會(huì)社和三菱重工開(kāi)發(fā)的鋼種，目前已納入日本MITI標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)ASMECodeCase2328已予確認(rèn)。合金化特點(diǎn)在TP304H的基礎(chǔ)上，通過(guò)降低Mn含量上限，加入約3％的Cu、0.45%Nb和一定量的N，使該鋼在服役條件下產(chǎn)生微細(xì)彌散富銅相沉淀于奧氏體內(nèi)，該富銅相與NbC、NbN、NbCrN和M23C6一起產(chǎn)生極佳的強(qiáng)化效應(yīng)。SUPER304H力學(xué)性能特點(diǎn)拉伸性能高于常規(guī)的18－8不銹鋼，而塑性與TP347H相當(dāng)，許用應(yīng)力較TP347H約高20％SUPER304H室溫拉伸性能

SUPER304H力學(xué)性能特點(diǎn)

SUPER304H高溫拉伸性能

SUPER304H抗氧化腐蝕性能650℃的抗蒸汽氧化性能大大優(yōu)于TP304H和P347H；耐腐蝕性能優(yōu)于TP304H，略遜于TP347H。SUPER304H焊接性能：熱裂紋敏感性低于TP347H。

2HR3C（Cr25-Ni20系列）

日本住友金屬開(kāi)發(fā)到新鋼種，美國(guó)ASMECodeCase2115已予確認(rèn)。合金化特點(diǎn)：在600～750℃，固溶氮和微細(xì)的NbCrN氮化物沉淀改善鋼的持久強(qiáng)度，溶于基體的固溶氮也有助于顯微組織的穩(wěn)定性；下表為HR3C鋼的化學(xué)成分。

HR3C鋼的化學(xué)成分CMnSiPSCrNiNbN0.05～0.070.91～1.220.25～0.500.003～0.0180.002～0.00524.05～25.7417.05～22.94≤0.580.036～0.345力學(xué)性能特點(diǎn)：拉伸性能、持久強(qiáng)度遠(yuǎn)高于常規(guī)的18－8不銹鋼及SUPER304H，而塑性略低于常規(guī)的18－8不銹鋼，且組織穩(wěn)定性高。下表為室溫下拉伸性能。室溫下的拉伸性能抗氧化腐蝕性能：由于含有較高的Cr含量，HR3C鋼的抗氧化性和高溫抗腐蝕性要優(yōu)于常規(guī)的18-8不銹鋼。焊接性能：HR3C的可焊性與TP347H相近，兩種填充材料（Inconel625、Inconel82）的TIG焊接頭的性能相當(dāng)好3、TP347FG

Sumitomo公司開(kāi)發(fā)出了一種細(xì)晶粒TP347FG不銹鋼管，作為18－8型不銹鋼的最佳改良鋼種，TP347FG比其它18-8型不銹鋼更適合于作為蒸汽溫度為565℃～620℃的超超臨界末級(jí)過(guò)熱器和末級(jí)再熱器候選材料使用TP347HFG的標(biāo)準(zhǔn)化和化學(xué)成分TP347HFG鋼的名義成分（wt%）CMnSiCrNiNb0.081.600.6018.010.00.80TP347HFG的研發(fā)背景和制造工藝TP347HFG（Fine-grain）是日本住友公司在TP347H基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的。20世紀(jì)80年代，人們發(fā)現(xiàn)TP347H雖具有較好的抗高溫腐蝕性能，但抗高溫蒸汽腐蝕的性能還有待于提高。通過(guò)改進(jìn)制造工藝，將軟化處理溫度提高到1250℃～1300℃，使得NbC這類MX型碳化物充分固溶析出，固溶處理溫度基本保持不變，析出NbC既限制了晶粒長(zhǎng)大，又提高了蠕變斷裂強(qiáng)度。新工藝得到的晶粒細(xì)化到8級(jí)以上，從而具備更優(yōu)良的抗高溫蒸汽腐蝕性能，對(duì)提高過(guò)熱器管的穩(wěn)定性起到了重要的作用。TP347HFG主要性能介紹及強(qiáng)化方式TP347HFG保持了原347H較高的短時(shí)拉伸性能和抗高溫氧化和高溫蒸汽腐蝕。TP347HFG鋼的化學(xué)成分和TP347H沒(méi)有很大差別，但細(xì)晶強(qiáng)化效果明顯，NbC固溶更加充分，細(xì)小彌散分布的MX型碳化物的強(qiáng)化效果，使得材料具有良好抗高溫蠕變、疲勞的性能；晶粒細(xì)化后有利于Cr穿過(guò)晶界向表面擴(kuò)散形成致密的Cr2O3保護(hù)層而防止被蒸汽氧化。下表為T(mén)P347HFG鋼和粗晶TP347H鋼的許用抗拉強(qiáng)度；TP347HFG主要性能介紹及強(qiáng)化方式TP347HFG鋼和粗晶TP347H鋼的許用抗拉強(qiáng)度2火電站用新型熱強(qiáng)鋼的基本特點(diǎn)及其焊接性

T91/P91、T92/P92、P23/T23、T122/P122都是屬調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用的回火馬氏體鋼，TP304H、TP347H、SUPER304H、TP347HFG都屬于奧氏體鋼又都是在相同的思路下研制開(kāi)發(fā)的，它們具有相似的基本特點(diǎn)。如果分別對(duì)應(yīng)地比較T91/P91和T9、EM12；T23和鋼102、2.25Cr-Mo以及P122和X20?？梢缘贸鯰91/P91、T92/P92、P23/T23、T122/P122這些新鋼種與其原來(lái)牌號(hào)的老鋼種在成分上的差別僅在于：①C、S、P含量的減少；②Nb、V、N等元素作為微合金化而微量添加，但它們的強(qiáng)化機(jī)理和老鋼種有原則的不同。而T91/P91、T92/P92等新鋼種除了固溶和沉淀強(qiáng)化外，還通過(guò)微合金化、控軋、形變熱處理及控冷獲得高密度位錯(cuò)和高度細(xì)化的晶粒，為鋼的進(jìn)一步強(qiáng)化和顯著的韌化作出了貢獻(xiàn)。新鋼種由于降低了碳和雜質(zhì)元素的含量，對(duì)焊接裂紋的敏感性都明顯降低，對(duì)P122鋼的斜Y形拘束裂紋試驗(yàn)表明，200℃預(yù)熱即可保證裂紋率為零。而相同Cr含量的X20鋼的裂紋傾向要大的多。更由于采用這類鋼后，可成倍減小構(gòu)件壁厚，焊接獲得完整無(wú)裂紋的接頭的難度比鋼102、T9、X20等也大為降低。盡管如此，接頭性能的明顯劣化卻是焊接這類鋼的主要困難。由這類鋼的基本特點(diǎn)可以設(shè)想：①焊縫由于熔敷金屬?zèng)]有控軋和形變熱處理的機(jī)會(huì)，晶粒不可能由此獲得細(xì)化，又由于熔敷金屬中的Nb、V在凝固冷卻過(guò)程中難以呈微細(xì)的C、N化合物析出，焊縫的韌性會(huì)遠(yuǎn)不如母材。②供貨狀態(tài)優(yōu)良的母材性能受到焊接的高溫循環(huán)，母材HAZ性能必會(huì)明顯劣化。③這種劣化的程度隨焊接熱輸入的增大而加劇。對(duì)T91/P91鋼焊接的實(shí)踐已經(jīng)證明了這些設(shè)想。

2.1焊縫金屬韌性的劣化三菱重工在1985年焊接P91大口徑厚壁管時(shí)所得的接頭韌性，暴露了焊縫韌性低劣的現(xiàn)象，與此同時(shí)HAZ以及熔合區(qū)韌性低劣的現(xiàn)象遠(yuǎn)不如焊縫那樣明顯。我國(guó)的電站焊接工作者近年來(lái)對(duì)T91/P91鋼的實(shí)踐，證實(shí)了焊縫的韌性對(duì)熱輸入和層間溫度極其敏感。采用大熱輸入、高的層間溫度(60kJ/cm、250~350℃)時(shí)焊縫韌性僅為3.9~19.5J/cm2，降低線能量和層間溫度(25kJ/cm和220~250℃)時(shí)焊縫韌性達(dá)到了73.2~113.6J/cm2。焊縫的韌性還與焊后熱處理制度密切相關(guān)。此外熔敷金屬的氧含量也影響它的韌性，實(shí)踐證明TIG焊縫的韌性優(yōu)于埋弧焊和手工電弧焊，而埋弧焊又優(yōu)于手工電弧焊。我國(guó)焊接工作者采用小熱輸入TIG熱絲全位置焊接P91厚壁管，取得了良好的焊縫韌性。盡管如此，焊縫的韌性仍比HAZ、熔合區(qū)低很多。P91鋼是這樣的，其他新型馬氏體類熱強(qiáng)鋼也會(huì)表現(xiàn)出相似的規(guī)律。可見(jiàn)克服這種馬氏體細(xì)晶強(qiáng)韌化鋼材焊縫韌性的劣化傾向是焊接工作者需要突破的具有共性的技術(shù)問(wèn)題。2.2HAZ蠕變斷裂強(qiáng)度的劣化研究表明P91鋼HAZ存在一個(gè)蠕變斷裂強(qiáng)度劣化的區(qū)域，劣化從焊接熱影響區(qū)的850℃，即AC1開(kāi)始，925℃時(shí)劣化至最低值，然后逐步恢復(fù)，待熱影響區(qū)溫度超過(guò)1100℃以后才恢復(fù)到接近母材?？梢酝普摚@一劣化區(qū)的寬度越大，對(duì)接頭高溫強(qiáng)度的影響也就越明顯，因此控制850~1100℃熱影響區(qū)的寬度是控制這一劣化影響的重要手段。顯然這也需要通過(guò)控制焊接熱輸入和層間溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3異種鋼焊接接頭的早期失效傾向?qū)嵺`證明鐵素體熱強(qiáng)鋼與奧氏體鋼組成的異種鋼接頭，存在著隨機(jī)的低于平均壽命的早期失效現(xiàn)象。長(zhǎng)期的研究工作已經(jīng)認(rèn)識(shí)了這種現(xiàn)象的機(jī)理和控制措施。但是對(duì)于以T91/P91為代表的新型馬氏體類熱強(qiáng)鋼與奧氏體鋼的異種鋼接頭是否還能服從這些規(guī)律，還需電站焊接工作者關(guān)注和研究?？傊?，研究和掌握上一世紀(jì)末出現(xiàn)的代表現(xiàn)代先進(jìn)冶金技術(shù)的一系列新型熱強(qiáng)鋼的焊接和它們的高溫運(yùn)行行為是電站工作者面臨的緊迫的任務(wù)

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電站設(shè)備的延壽焊接

美國(guó)Philadelphia電力公司Eddestone廠1號(hào)機(jī)是1960年2月開(kāi)始商業(yè)運(yùn)行的首臺(tái)蒸汽溫度為650℃，壓力為350大氣壓的超超臨界機(jī)組，1983年經(jīng)過(guò)檢查評(píng)定更換其蠕變損傷嚴(yán)重的部分主蒸汽管后又恢復(fù)正常運(yùn)行。這種根據(jù)以往的運(yùn)行歷史、對(duì)當(dāng)前時(shí)刻可能發(fā)生失效的部件進(jìn)行檢測(cè)、分析、評(píng)定其剩余壽命，然后根據(jù)評(píng)定的結(jié)果更換壽命耗盡的部件，修復(fù)其損傷的部位，使機(jī)組處于正常運(yùn)行狀態(tài)的措施稱之為延壽措施。采用這樣的措施以后，機(jī)組壽命已往往不是由機(jī)組的技術(shù)狀態(tài)決定，而是由其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)決定。多年以來(lái)我國(guó)的電站焊接工作者曾成功地修復(fù)過(guò)汽包、集箱、轉(zhuǎn)子、汽缸等部件，為延壽焊接積累了經(jīng)驗(yàn)。大容量機(jī)組的延壽措施其經(jīng)濟(jì)意義是顯著的，但啟動(dòng)延壽措施也需要相當(dāng)?shù)耐度?，極有必要從同類機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和科研成果中提取信息指導(dǎo)何時(shí)應(yīng)對(duì)何部件實(shí)施延壽措施，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果指導(dǎo)是否應(yīng)對(duì)相應(yīng)的部件進(jìn)行修復(fù)焊接。例如：統(tǒng)計(jì)證明對(duì)于填充金屬為奧氏體的鐵素體/奧氏體異種鋼接頭，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間接近8萬(wàn)小時(shí)就會(huì)出現(xiàn)較高頻度的失效，而填充金屬為鎳基合金的鐵素體/奧氏體異種鋼接頭累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)15萬(wàn)小時(shí)才會(huì)出現(xiàn)較高的失效傾向。據(jù)此可以分別在7萬(wàn)和14萬(wàn)小時(shí)運(yùn)行后對(duì)這些部件啟用延壽措施，可能恰到好處。又如：某125機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子安全運(yùn)行13年以后，考慮到制作時(shí)殘留的缺陷于1982年退役。經(jīng)各方專家解剖計(jì)算，證明轉(zhuǎn)子仍能安全運(yùn)行、原缺陷未擴(kuò)展，既使運(yùn)用考慮了各種隨機(jī)因素的可靠性方法計(jì)算，轉(zhuǎn)子在繼續(xù)26次啟停循環(huán)后其可靠度才開(kāi)始從100%下降?？梢?jiàn)確定某機(jī)組某部件適時(shí)地啟用延壽措施的時(shí)刻是很重要的。此外，在焊接接頭損傷的評(píng)估中如何考慮焊接接頭力學(xué)性能的宏觀不均勻性；在運(yùn)用焊接技術(shù)的同時(shí)如何合理地研究利用表面工程中的有關(guān)技術(shù)，作到不同部件、不同損傷在不同場(chǎng)合使用不同的工藝技術(shù)等，都是電站焊接工作者面對(duì)需要研究解決的問(wèn)題。隨著大容量老舊機(jī)組和調(diào)峰機(jī)組數(shù)量的增多，延壽工作的規(guī)模也將隨之迅速增大。

第二部分火電廠用鋼的分類1、按合金元素含量分類(a)低碳鋼在此類鋼中不含或很少含有其他合金元素，其碳含量一般不超過(guò)0.2％。(b)低合金耐熱鋼在此類鋼中都含有一種或幾種合金元素，但含量不高，一般鋼中所含合金元素的總量不超過(guò)5％，碳含量不超過(guò)0.2％。(c)中合金耐熱鋼在此類鋼中合金元素較多，合金元素含量一般在5～12％。(d)高合金耐熱鋼在此類鋼中合金元素多，合金元素含量一般在10％以上，甚至高達(dá)30％以上。2、按鋼的組織狀態(tài)分類(a)珠光體型耐熱鋼在室溫和使用溫度條件下此類鋼的組織主要為珠光體。低合金鉻鉬鋼、鉻鉬釩鋼、鉻硅鋼、鉻鎳鉬鋼是此類耐熱鋼的代表鋼種，在蒸汽輪機(jī)和鍋爐制造中應(yīng)用很廣泛，多用于熱交換器管和高溫高壓容器等。這類鋼熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率大，工藝性能好，使用溫度為450～620℃，合金元素含量一般小于5％。(b)馬氏體型耐熱鋼在室溫下組織為馬氏體，一般含鉻為7％～13％。在650℃左右具有良好的抗氧化性，在600℃以下具有較好的熱強(qiáng)性，并有良好的減振性和導(dǎo)熱性，在蒸汽輪機(jī)制造中廣泛應(yīng)用。但這類鋼有較大的淬硬傾向，焊接性能也較差。(c)鐵素體型耐熱鋼在室溫和使用溫度條件下此類鋼的組織為鐵素體。0Cr13、1Cr17、1Cr28等均屬此類鋼。由于此類鋼具有優(yōu)異的抗氧化性能及耐水溶液腐蝕性能，因此，在動(dòng)力、石油化工等工業(yè)中得到極為廣泛的應(yīng)用。但這類鋼的可焊性較差，強(qiáng)度較低，脆性較大，應(yīng)用受到一定限制。(d)奧氏體型耐熱鋼在室溫和使用溫度條件下此類鋼的組織為奧氏體。典型鋼種為18－8型、25－20型鉻鎳耐熱鋼。此類鋼在高溫下具有較高的熱強(qiáng)性和優(yōu)異的抗氣化性。一般制作用于600℃以上承受較高應(yīng)力的部件，其抗氧化性溫度可達(dá)550～1250℃。(e)沉淀硬化型耐熱鋼在室溫和使用溫度條件下此類鋼的組織為馬氏體或奧氏體。3、按鋼的特性分類(a)抗氧化鋼（或稱耐熱不起皮鋼）此類鋼在高溫下（一般在550～1200℃）具有較好的抗氧化性能及抗高溫腐蝕性能，并有一定的高溫強(qiáng)度。用于制造各類加熱爐用零件和熱交換器，制造燃汽輪機(jī)的燃燒室、鍋爐吊掛、加熱爐爐底板和輥道以及爐管等?？寡趸阅苁侵饕笜?biāo)，部件本身不承受很大的應(yīng)力。(b)熱強(qiáng)鋼在高溫（通常在450～900℃）既能承受相當(dāng)?shù)母郊討?yīng)力又要具有優(yōu)異的抗氧化、抗高溫氣體腐蝕能力，通常還要求承受周期性的可變應(yīng)力。通常用作汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子和葉片，鍋爐的過(guò)熱器、高溫下工作的螺栓和彈簧。內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)排氣閥等。

第三部分火電廠用鋼的牌號(hào)表示方法

1、中國(guó)耐熱鋼的牌號(hào)表示方法根據(jù)我國(guó)鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB／T221—2000）規(guī)定，產(chǎn)品牌號(hào)的命名采用漢語(yǔ)拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)及阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法表示。漢語(yǔ)拼音字母用于表示產(chǎn)品名稱、用途、特性和工藝方法。(1)耐熱鋼與不銹鋼的牌號(hào)表示方法相同，一般采用規(guī)定的合金元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字表示。通常在牌號(hào)的第一位用一位阿拉伯?dāng)?shù)字表示平均含碳量（以千分之幾計(jì)）；當(dāng)平均含碳量不小于1.00％時(shí)，采用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字表示；當(dāng)含碳量上限小于0.l％時(shí)，以“0”表示含碳量；當(dāng)含碳量上限不大于0.03％且大于0.01％時(shí)（超低碳），以“03”表示含碳量；當(dāng)含碳量上限不大于0.01％時(shí)（極低碳）,以“01”表示含碳量。合金元素平均含量小于1.50％時(shí)，牌號(hào)中僅標(biāo)明元素符號(hào)，一般不標(biāo)明含量：合金元素平均含量為1.50％～2.49％、2．50％～3.49％…22.50％～23.49％…時(shí)，相應(yīng)地寫(xiě)成2、3…23…。專門(mén)用途、工藝方法或易切削的耐熱鋼，在牌號(hào)前面冠以專用鋼、專用工藝方法或易切削鋼的符號(hào)。例如：2Crl3：表示平均含碳量為0.20％的平均含鉻量為13％的鉻耐熱鋼；OCr18Nil0Ti：表示含碳量低于0.10％但大于0.03％的平均含鉻18％、含鎳10％且含鈦的低碳鉻鎳耐熱鋼；(2)碳素鋼1）普通碳素鋼：普通碳素鋼分為甲類、乙類和特類鋼甲類鋼（A類）：按機(jī)械性能供貨，不保證化學(xué)成份，編號(hào)方法分為7級(jí)A1、A2…..A7。乙類鋼（B類）：按化學(xué)成份供貨，不保證機(jī)械性能，編號(hào)方法分為7級(jí)B1、B2…..B7。特類鋼（C類）：供貨時(shí)既保證化學(xué)成份，又保證機(jī)械性能，編號(hào)方法分為7級(jí)C1、C2…..C7。2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼分為兩種：第一種，含錳量比較低，一般小于0.8%，如10號(hào)、20號(hào)。第二種，含錳量比較高，如20Mn、65Mn等，含Mn量一般大于0.7%。（3）鍋爐用鋼鋼號(hào)表示符號(hào)的特殊意義：標(biāo)有小寫(xiě)的g表示鍋爐用鋼板，如20g，標(biāo)有大寫(xiě)的G表示鍋爐用無(wú)縫鋼管，如20G，標(biāo)有大寫(xiě)的R表示容器用鋼板，如20R、16MnR。非電力部門(mén)使用的容器用鋼，如12MnHP,HP表示焊接氣瓶，16MnDR，DR表示低溫容器。2、日本耐熱鋼的牌號(hào)表示方法日本耐熱鋼牌號(hào)常用JIS標(biāo)準(zhǔn)的牌號(hào)表示方法。這套表示方法不僅表示出鋼類，而且表示出鋼材種類，有的還表示出用途等。牌號(hào)中大多采用英文字母和阿拉伯?dāng)?shù)字，少部分采用假名拼音的羅馬字。牌號(hào)的主體結(jié)構(gòu)基本上由三部分組成：①牌號(hào)第一部分采用前綴字母，表示材料分類，例如“S”表示鋼（“Steel”的首位字母）。②牌號(hào)第二部分采用英文字母或假名拼音的羅馬字，表示用途、鋼材種類及鑄鍛材制品等，例如：

U——特殊用途（Use）；W——線材、鋼絲（Wire）；B——棒材（Bar）；C——鑄件（Casting）；P——鋼板（Plate）；F——鍛件（Forging）。M－一鋼管（Tube）。為了進(jìn)一步區(qū)分，牌號(hào)的第二部分常采用幾個(gè)字母組合表示。例如：SUH——耐熱鋼（“Steel”“Use”“HeatResisting”）SUHB——耐熱鋼棒（“Steel”“Use”“HeatResisting”“Bar”）；SUHP——耐熱鋼板（“Steel”“Use”“HeatResisting”“Plate”）；STF——加熱爐用鋼管（“Steel”“Tube”“FireHeater”）；SB——鍋爐用軋制鋼板（“Steel”“Boiler”）；SCH——耐熱鋼鑄件（“Steel”“Casting”“HeatResisting”）；SCPH——高溫高壓用鑄鋼件SUSF——高溫壓力容器部件用不銹鋼鍛件③牌號(hào)第三部分為數(shù)字，表示鋼的類別順序號(hào)或強(qiáng)度等特性值。例如SUH3，SUH310，SUH660。④在牌號(hào)主體（包括第一、M、三部分）之后，根據(jù)需要，可附加表示鋼材形狀、制造方法及熱處理狀態(tài)的后綴符號(hào)。表示鋼材產(chǎn)品形狀和制造方法的符號(hào)，例如：

CP——冷軋鋼板（“Pold”“Plate”）；CS——冷軋鋼帶（“Cold”“Strip”）；CB——冷加工鋼棒（“Cold”“Bar”）；HP——熱軋鋼板（“Hot”“Plate”）；CP——熱軋鋼帶（“Hot”“Strip”）。表示熱處理的符號(hào)，例如：A——退火；N——正火；Q——淬火回火：S——固溶處理；SR——消除應(yīng)力處理。高合金耐熱鋼牌號(hào)用前綴符號(hào)“SUH”加數(shù)字編號(hào)表示。數(shù)字編號(hào)為l～3位。l～2位數(shù)字編號(hào)為日本原有牌號(hào)的順序編號(hào)，采用3位數(shù)字編號(hào)基本上參照美國(guó)AISI等的數(shù)字系列。耐熱鑄鋼牌號(hào)用前綴符號(hào)“SCH”加數(shù)字編號(hào)表示。數(shù)字編號(hào)為l～2位。有的牌號(hào)在數(shù)字編號(hào)后還附加后綴字母“A”，表示質(zhì)量等級(jí)或化學(xué)成分有差別。3、美國(guó)耐熱鋼的牌號(hào)表示方法美國(guó)的耐熱鋼主要采用AISI（美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)）的牌號(hào)表示方法，耐熱鑄鋼主要采用ACI（美國(guó)合金鑄造學(xué)會(huì)）的牌號(hào)表示方法。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）的標(biāo)準(zhǔn)基本上采用了AISI和ACI的耐熱鋼和耐熱鑄鋼的牌號(hào)體系，只有少數(shù)為ASTM自己的牌號(hào)。由ASTM和SAE（美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師協(xié)會(huì)）提出的UNS金屬與合金牌號(hào)統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)體系，統(tǒng)一了美國(guó)許多牌號(hào)體系，現(xiàn)已在許多標(biāo)準(zhǔn)中采用。（1）AISI規(guī)定的耐熱鋼牌號(hào)表示方法美國(guó)AISI規(guī)定的耐熱鋼牌號(hào)表示方法與不銹鋼相同。牌號(hào)均由3位數(shù)字組成，第一位數(shù)字表示鋼的類型，第二、三位數(shù)字表示牌號(hào)順序號(hào)。編號(hào)系列為：2XX一一鉻錳鎳氮奧氏體型鋼；3XX一一鎳鉻奧氏體型鋼；4XX一一高鉻馬氏體型鋼和低碳高鉻鐵素體型鋼；5XX一一低鉻馬氏體型鋼。

（2）SAE規(guī)定的耐熱鋼牌號(hào)表示方法美國(guó)SAE規(guī)定的耐熱鋼牌號(hào)表示方法與不銹鋼相同。牌號(hào)采用五位數(shù)字表示，前三位數(shù)字表示鋼的類型，后兩位數(shù)字表示不同牌號(hào)順序號(hào)。SAE牌號(hào)的后三位數(shù)字與AISI牌號(hào)的三位數(shù)字相同。編號(hào)系列為：302XX一一鉻錳鎳奧氏體型鋼；303XX一一鎳鉻奧氏體型鋼（變形鋼）；514XX一一高鉻馬氏體和低碳高鉻鐵素體型鋼（變形鋼）；515XX－－低鉻馬氏體型鋼（變形鋼）；60XXX一一用于650℃以下的耐熱鋼（鑄鋼）；70XXX一一用于超過(guò)650℃的耐熱鑄鋼。（3）ACI規(guī)定的耐熱鑄鋼牌號(hào)表示方法美國(guó)ACI規(guī)定的耐熱鑄鋼牌號(hào)表示方法與不銹耐蝕鑄鋼相同。一般采用兩個(gè)字母表示，或在字母后加表示碳含量的數(shù)字及表示合金元素的字母。牌號(hào)的第一位字母一般為“C”或“H”?！癈”表示在650℃以下使用的鑄鋼；“H”表示用于超過(guò)650℃使用的鑄鋼。第二個(gè)字母為A，B，C，D……，表示不同的含鎳量（見(jiàn)下表）。字母鎳含量范圍%字母鎳含量范圍%字母鎳含量范圍%A＜1.0F9.0～12.0T33.0～37.0B＜2.0H11.0～14.0U37.0～41.0C＜4.0I11.0～18.0W58.0～62.0D4.0～7.0K18.0～22.0X64.0～68.0E8.0～11.0N23.0～27.0

（4）美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)表示方法：不直接表示處分和用途，一般在首部冠以字母A，接著是表示序號(hào)的數(shù)字和年號(hào)的數(shù)字，這兩個(gè)數(shù)字間用短線分開(kāi)，表示實(shí)驗(yàn)性鋼號(hào)；如果再標(biāo)以a、b、c等，則表示修改的次數(shù)，前面這些僅是表示鋼號(hào)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)，在其后再表明具體鋼號(hào)。1）例如A387-79bGr22c1.2，含義為A表示鐵基，387-序號(hào)，79-1979年，b-第二次修改，Gr-鋼的類別，22-類別號(hào)，C1-等級(jí)，2-等級(jí)號(hào)。這個(gè)鋼號(hào)的前半部分A387-79b表示壓力容器用鉻鉬合金鋼，后半部分為具體鋼號(hào)，Gr22僅為其中的一個(gè)鋼號(hào)，2表示供貨狀態(tài)為正火+回火。2）A213-76aTP304H，其中A213-76a為鐵素體和奧氏體鋼標(biāo)準(zhǔn)號(hào)，用于鍋爐過(guò)熱器和熱交換器合金鋼，TP304H為鋼號(hào)，TP表示類別，304為序號(hào)，H表示過(guò)熱器和熱交換器受熱面鋼管，通常將A213-76aTP304H簡(jiǎn)單寫(xiě)為A213-TP304H，或簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)P304H。（5）美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）標(biāo)準(zhǔn)：鋼號(hào)的表示方法基本上與ASTM相同，僅在ASME鋼號(hào)前加一個(gè)S。例如SA213-76aTP304H等（4）UNS體系耐熱鋼牌號(hào)表示方法UNS體系牌號(hào)系列，基本上是在美國(guó)各團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)原有牌號(hào)系列的基礎(chǔ)上調(diào)整和統(tǒng)一編制出來(lái)的。它的牌號(hào)系列都采用一個(gè)代表鋼或合金類別的前綴字母和五位數(shù)字組成。耐熱鋼和不銹鋼放在一個(gè)大類內(nèi)，牌號(hào)系列代號(hào)為SXXXXX。前三位數(shù)字的編號(hào)系列基本采用AISI的牌號(hào)，最后兩位數(shù)字主要用來(lái)區(qū)分同一組鋼中主要成分相同而個(gè)別成分有差別或含特殊元素的鋼種。

4俄羅斯耐熱鋼的牌號(hào)表示方法俄羅斯現(xiàn)在仍沿用原蘇聯(lián)ГОСТ標(biāo)準(zhǔn)的牌號(hào)表示方法。ГОСТ標(biāo)準(zhǔn)中鋼鐵產(chǎn)品的牌號(hào)表示方法基本上與我國(guó)的鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法相似，但俄羅斯鋼鐵牌號(hào)中的化學(xué)元素名稱及用途、特性等均采用俄文字母表示。俄羅斯鋼鐵牌號(hào)中表示合金元素及用途、特性等用的俄文字母

在工作中，若遇到不明鋼號(hào)，可查閱有關(guān)資料，如《世界各國(guó)鋼號(hào)手冊(cè)》、《世界鋼號(hào)大全》等。第四部分火電廠用鋼的基本性能1、主要合金元素在耐熱鋼中的作用耐熱鋼中常見(jiàn)的合金元素有碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、鉬（Mo）、鎢（W）、鈷（Co）、銅（Cu）、鐵（Fe）、鈮（Nb）、鉭（Ta）、釩（V）、鋁（AI）、鈦（Ti）、硼（B）、氮（N）、稀土（RE）或鑭（La）、鈰（Ce）等。磷和硫一般為有害的雜質(zhì)元素。鉻、鋁、硅和稀土元素能提高耐熱鋼的抗氧化性能。鉻、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鈷、硼、稀土等能提高或改善耐熱鋼的熱強(qiáng)性。鐵為耐熱鋼的基體元素。鎳和錳的作用主要是獲得奧氏體組織。下面分別介紹一下主要合金元素在耐熱鋼中的作用。

1.1鉻Cr鉻是耐熱鋼中抗高溫氧化和抗高溫腐蝕的主要元素，并能提高耐熱鋼的熱強(qiáng)性。鋼中含鉻量足夠高時(shí)，能在其表面形成一層致密的Cr2O3膜，這種氧化膜在一定程度上能阻止氧、硫、氮等腐蝕性氣體向鋼中擴(kuò)散，也能阻礙金屬離子向外擴(kuò)散，在一定的溫度范圍內(nèi)還能形成一層保護(hù)性良好的尖晶石型的復(fù)合氧化膜，如含鎳、鉻的耐熱鋼在其表面上形成一層NiO﹒Cr2O3復(fù)合氧化膜，增強(qiáng)了鋼的抗高溫氧化能力。耐熱鋼的抗高溫腐蝕性能與其含鉻量有一定的關(guān)系。當(dāng)鋼含鉻約達(dá)12％時(shí)，鋼的抗高溫氧化能力有明顯提高，當(dāng)鉻含量達(dá)22％時(shí)，在1000℃下其抗高溫氧化的性能是極為良好的，此時(shí)在其表面上形成一層連續(xù)而又致密的氧化膜。

1.2鉬Mo鉬為難熔金屬，熔點(diǎn)高（2625℃）。鉬固溶到基體金屬中能提高固溶體的再結(jié)晶溫度。鉬是縮小γ—Fe相區(qū)、擴(kuò)大α—Fe相區(qū)的合金元素，又是強(qiáng)碳化物形成元素。對(duì)提高耐熱鉬的熱強(qiáng)性有較好的作用。鉬在鐵中可顯著地抑制鐵的自擴(kuò)散，提高固溶體的再結(jié)晶溫度。在含鉬的低合金耐熱鋼中，鉬的作用是強(qiáng)化固溶體及形成性質(zhì)優(yōu)異的細(xì)小的碳化物相。常見(jiàn)的鉻鉬低合金鋼（如Cr1Mo鋼）就是典型代表。鉬在高合金奧氏體鋼中的主要作用是形成時(shí)效強(qiáng)化相。

1.3釩V釩為難熔金屬，熔點(diǎn)高（1910℃）。釩是縮小γ—Fe相區(qū)、擴(kuò)大α—Fe相區(qū)的合金元素，是強(qiáng)碳化物形成元素。對(duì)提高耐熱鋼的熱強(qiáng)性有較好的作用。釩在耐熱鋼中的作用與鉬和鎢類似，但與它們不同的是釩不能強(qiáng)化固溶體，也不能提高固溶體的再結(jié)晶溫度。釩在鐵素體和奧氏體耐熱鋼中之所以能提高其熱強(qiáng)性都是通過(guò)形成細(xì)小均勻分布的碳化物而起作用的，因?yàn)殁C的碳化物是一種十分穩(wěn)定的碳化物。釩是提高鐵素體型耐熱鋼的熱強(qiáng)性的有效元素，釩也在奧氏體型耐熱鋼中獲得應(yīng)用，但釩含量一般在0.3％～0.5％之間。

1.4鎳Ni鎳是耐熱鋼中的重要合金元素之一。為了使鋼在室溫下獲得純奧氏體組織，其中鎳含量不能低于25％。但當(dāng)鋼中含有其他合金元素時(shí)，為獲得純奧氏體組織，鎳含量可適當(dāng)減少。例如，當(dāng)鋼中含碳量為0.1％含鉻量為18％時(shí)，為了獲得鋼的純奧氏體組織，含鎳量為8％即可，這就是典型的18—8型奧氏體耐熱不銹鋼。當(dāng)鋼中含有其他鐵素體形成元素時(shí)，為獲得純奧氏體組織，含鎳量就要增加，如不增加鎳含量，或降低鎳含量，就會(huì)出γ+α雙相組織，或出現(xiàn)不穩(wěn)定的奧氏體組織，冷加工時(shí)可能產(chǎn)生相變（奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織）。

1.5鎢W鎢為難熔金屬，熔點(diǎn)高（3380℃）。鎢固溶到基體金屬中提高固溶體的再結(jié)晶溫度。鎢是縮小γ—Fe相區(qū)、擴(kuò)大α—Fe相區(qū)的合金元素，是強(qiáng)碳化物形成元素。對(duì)提高耐熱鋼的熱強(qiáng)性有較好的作用。在珠光體型耐熱鋼中，加鎢可提高固溶體的熱強(qiáng)性。在鐵素體型耐熱鋼中加鎢有兩個(gè)目的：在12％Cr鋼中加鎢一是強(qiáng)化α相固溶體，提高固溶體的再結(jié)晶溫度，阻礙擴(kuò)散；另一方面是產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，或者以復(fù)雜的碳化物形式出現(xiàn)，或者以富鎢的金屬間化合物形式出現(xiàn)。鎢的作用在高合金奧氏體耐熱鋼中的作用尤為明顯。

1.6鈦Ti鈦是強(qiáng)α—Fe形成元素，在Fe—Ti二元合金中，鈦在γ—Fe中的溶解度只有0.65％，但是鈦與Fe能形成一系列的金屬間化合物，同時(shí)鈦又是強(qiáng)碳化物形成元素之一。因此，含鈦的耐熱鋼主要是靠其形成極細(xì)小而又彌散分布的碳化物和金屬間化合物來(lái)起作用的。所以，耐熱鋼中的含鈦量均不太多。到目前為止，鈦在低合金耐熱鋼中的應(yīng)用并不多。鈦是18—8型鎳鉻奧氏體耐熱鋼中的主要穩(wěn)定化元素，其目的是防止晶間腐蝕。在某些沉淀硬化型奧氏體耐熱鋼（或鐵基合金）中，鈦與鎳等能形成金屬間化合物（如Ni3Ti），以達(dá)到提高熱強(qiáng)性的目的。

1.7鈮Nb鈮是縮小γ—Fe相區(qū)的合金元素，在α—Fe中有一定的溶解度。在鐵基合金中含0.5％Nb就足以取得彌散強(qiáng)化的效果。鈮也是強(qiáng)碳化物形成元素，鈮的碳化物在高溫下十分穩(wěn)定，只比鈦的碳化物略為遜色。由于鈮具有良好的熱強(qiáng)性，因此，鈮在低合金耐熱鋼和高合金耐熱鋼中都獲得了廣泛的應(yīng)用。含鈮的多元合金化的珠光體低合金耐熱鋼在蒸汽發(fā)電機(jī)中的使用溫度可達(dá)550℃。鈮在含鉻為12％的耐熱鋼中獲得應(yīng)用，提高了鋼的熱強(qiáng)性。在高合金耐熱鋼中鈮的碳化物析出對(duì)提高其熱強(qiáng)性占有重要的地位，因此鋼中的合碳量與含鈮量存在著一定的比例關(guān)系。含鈮的低碳（0.04％～0.07％）奧氏體耐熱鋼中的鈮含量應(yīng)為10×％C。因此，高合金耐熱鋼中的鈮含量一般為1％～2％。

1.8硼B(yǎng)硼與氮和氧都有很強(qiáng)的親和力。鋼中微量硼（0.001％）就可以成倍地提高其淬透性。硼吸附在奧氏體晶界上，降低了晶間的能量，阻抑鐵素體晶核的形成，因而延長(zhǎng)了先共析鐵素體和上貝氏體轉(zhuǎn)變的孕育期。硼只有以固溶形式存在于鋼中才能起到有效作用。當(dāng)硼與鋼中殘留的氮、氧化合形成穩(wěn)定的夾雜物時(shí)，反而對(duì)鋼的性能有不利的作用。在珠光體耐熱鋼中，微量硼可以提高鋼的高溫強(qiáng)度；在奧氏體耐熱鋼中加入0.025％B可以提高其抗蠕變性能，但硼含量較高時(shí)，其作用相反。加入硼強(qiáng)化晶界對(duì)增強(qiáng)耐熱鋼的持久強(qiáng)度十分重要。硼原于主要分布在晶界上，因此硼對(duì)強(qiáng)化晶界起著重要的作用。

1.9碳C碳是鋼中不可缺少的元素。碳在鋼中既擴(kuò)大γ相區(qū)，又是高強(qiáng)度的碳化物的組成元素。碳在鋼中的強(qiáng)化作用與它所形成的碳化物的成分和結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，其強(qiáng)化作用也與溫度有關(guān)。隨著溫度的升高，由于碳化物的聚集，強(qiáng)化作用有所下降。鋼中碳含量增加，會(huì)降低鋼的塑性和可焊性。因此，除強(qiáng)度要求較高的鋼種外，一般奧氏體型耐熱鋼中的碳含量都控制在較低的范圍內(nèi)。2金屬材料的機(jī)械性能金屬材料的機(jī)械性能又稱力學(xué)性能，是材料在力的作用下所表現(xiàn)出來(lái)的性能。力學(xué)性能對(duì)金屬材料的使用性能和工藝性能有著非常重要的影響。金屬材料的主要力學(xué)性能有：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等。2.1、強(qiáng)度與塑性金屬材料的強(qiáng)度和塑性是通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定出來(lái)的。拉伸試驗(yàn)是在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。試驗(yàn)之前，先將被測(cè)金屬材料制成圖1—1所示的標(biāo)準(zhǔn)試樣(參見(jiàn)GB6397---86《金屬拉伸試樣》)，圖中do為試樣直徑，lo為測(cè)定塑性用的標(biāo)距長(zhǎng)度。試驗(yàn)時(shí)，在試樣兩端緩慢地施加軸向拉伸載荷，使試樣承受軸向靜拉力。隨著載荷不斷增加，試樣被逐步拉長(zhǎng)，直到拉斷。在拉伸過(guò)程中，試驗(yàn)機(jī)將自動(dòng)記錄每一瞬間的載荷F和伸長(zhǎng)量△l，并繪出拉伸曲線。拉伸實(shí)驗(yàn)由圖可見(jiàn):在開(kāi)始的Oe階段，載荷F與伸長(zhǎng)量△l為線性關(guān)系，并且，去除載荷，試樣將恢復(fù)到原始長(zhǎng)度。在此階段試樣的變形稱為彈性變形。載荷超過(guò)F。之后，試樣除發(fā)生彈性變形外還將發(fā)生塑性變形。當(dāng)載荷增大到Fe之后，拉伸圖上出現(xiàn)了水平線段，這表示載荷雖未增加，但試樣繼續(xù)發(fā)生塑性變形而伸長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱為“屈服”，s點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)。當(dāng)載荷超過(guò)Fb以后，試樣上某部分開(kāi)始變細(xì)，出現(xiàn)了‘‘縮頸”，由于其截面縮小，使繼續(xù)變形所需載荷下降。

載荷到達(dá)Fk時(shí)，試樣在縮頸處斷裂。2.1.1強(qiáng)度

強(qiáng)度是金屬材料在力的作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。強(qiáng)度有多種判據(jù)，工程上以屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度最為常用。(1)屈服點(diǎn)它是指拉伸試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。它可按下式計(jì)算：Fs——試樣發(fā)生屈服時(shí)所承受的最大載荷，N；Ao——試樣原始截面積，mm2。(2)抗拉強(qiáng)度指金屬材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力，以δb表示。它可按下式計(jì)算：Fb——試樣在拉斷前所承受的最大載荷，N；Ao——試樣原始截面積，mm2。2.1.2塑性

塑性是指金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力，通常以伸長(zhǎng)率來(lái)表示：δ=L1-loloX100%lo——試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度，mm；L1——試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm。必須指出，伸長(zhǎng)率的數(shù)值與試樣尺寸有關(guān)，因而試驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)所選定的試樣尺寸作出規(guī)定，以便進(jìn)行比較如lo=10do時(shí)，用δ10或δ表示；lo=5do時(shí)，用δ5表示。金屬材料的塑性也可用斷面收縮率Ψ表示：Ψ=A0-A1A0X100%Ao——試樣的原始截面積，mm2；A1——試樣拉斷后，斷口處截面積，mm2。δ和Ψ值愈大，材料的塑性愈好。良好的塑性不僅是金屬材料進(jìn)行軋制、鍛造、沖壓、焊接的必要條件，而且在使用時(shí)萬(wàn)一超載，由于產(chǎn)生塑性變形，能夠避免突然斷裂。2.2、硬度

金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕的能力，稱為硬度。硬度是衡量金屬軟硬的判據(jù)。硬度直接影響到材料的耐磨性及切削加工性，因?yàn)闄C(jī)械制造中的刃具、量具、模具及工件的耐磨表面都應(yīng)具有足夠高的硬度，才能保證其使用性能和壽命。若所加工的金屬坯料的硬度過(guò)高時(shí)，則給切削加工帶來(lái)困難。顯然，硬度也是重要的力學(xué)性能指標(biāo)，應(yīng)用十分廣泛。金屬材料的硬度是在硬度計(jì)上測(cè)定的。常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法，有時(shí)還采用維氏硬度法。2.2.1．布氏硬度(HB)布氏硬度的測(cè)試原理如圖1—3所示。以直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，在載荷F的靜壓力下，將壓頭壓人被測(cè)材料的表面(圖1—3a)；停留若干秒后，卸去載荷(圖1—3b)。然后，采用帶刻度的專用放大鏡測(cè)出壓痕直徑d，并依據(jù)d的數(shù)值從專門(mén)的硬度表格中查出相應(yīng)的HB值。

布氏硬度計(jì)的壓頭直徑有聲Φ10mm、Φ5mm、Φ2.5mm三種，而載荷有30000N、7500N、1870N等數(shù)種，供不同材料和不同厚度試樣測(cè)試時(shí)選用。其中常用的壓頭直徑Φ10mm，載荷為30000N。布氏硬度(HB)試驗(yàn)布氏硬度法因壓痕面積較大、其硬度值比較穩(wěn)定，故測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性好，準(zhǔn)確度較洛氏硬度法高。缺點(diǎn)是測(cè)量費(fèi)時(shí)，且因壓痕較大，不適于成品檢驗(yàn)。由于測(cè)試過(guò)硬的材料可導(dǎo)致鋼球的變形，因此布氏硬度通常用于HB值小于450的材料，如灰鑄鐵、非鐵合金及較軟的鋼材。必須看到，新型布氏硬度計(jì)設(shè)計(jì)有硬質(zhì)合金球壓頭，從而可用于測(cè)試淬火鋼等較硬金屬的硬度，使布氏硬度法的適用范圍擴(kuò)大。

為了區(qū)別不同壓頭測(cè)出的硬度值，將鋼球壓頭測(cè)出的硬度值標(biāo)以符號(hào)HBS，而將硬質(zhì)合金球壓頭測(cè)出的硬度值標(biāo)以HBW。2.2.2．洛氏硬度(HR)

洛氏硬度的測(cè)試原理是以頂角為120°金剛石圓錐體(或Φ1.588mm淬火鋼球)為壓頭，在規(guī)定的載荷下，垂直地壓人被測(cè)金屬表面，卸載后依據(jù)壓人深度九，由刻度盤(pán)上的指針直接指示出HR值(圖1—4)。為使洛氏硬度計(jì)能夠測(cè)試從軟到硬各種材料的硬度，其壓頭及載荷可以變更，而刻度盤(pán)上也有三個(gè)不同的硬度標(biāo)尺。表1—1列出了各個(gè)硬度標(biāo)尺的壓頭、總載荷及其適用材料。其中，HRC在生產(chǎn)中應(yīng)用最廣。標(biāo)尺壓頭總載荷/N適用測(cè)試教材有效植HRA120°金剛石圓錐體600硬質(zhì)合金、表面淬火鋼70～85HRBΦ1.588mm淬火鋼球1000退火鋼、非鐵合金25～100HRC120°金剛石圓錐體1500一般淬火件20～67表1-1洛氏硬度的測(cè)試范圍洛氏硬度(HR)試驗(yàn)2.3、韌性

金屬材料斷裂前吸收的變形能量稱作韌性。韌性的常用指標(biāo)為沖擊韌度。沖擊韌度通常采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定。測(cè)定時(shí)，一般是將帶缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣(參見(jiàn)GB／T229—94)放在試驗(yàn)機(jī)上，然后用擺錘將其一次沖斷，并以試樣缺口處單位截面積上所吸收的沖擊功表示其沖擊韌度，即ak=AkA（J/cm2）ak——沖擊韌度(沖擊值)；Ak——沖斷試樣所消耗的沖擊功，J；A——試樣缺口處的截面積，cm2

。

2.4、疲勞強(qiáng)度

機(jī)械上的許多零件，如曲軸、齒輪、連桿、彈簧等是在周期性或非周期性動(dòng)載荷(稱為疲勞載荷)的作用下工作的。這些承受疲勞載荷的零件發(fā)生斷裂時(shí)，其應(yīng)力往往大大低于該材料的強(qiáng)度極限，這種斷裂稱作疲勞斷。金屬材料所承受的疲勞應(yīng)力(σ)與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(N)，具有圖1—5所示的疲勞曲線關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力下降到某值之后，疲勞曲線成為水平線，這表示該材料可經(jīng)受無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而仍不發(fā)生疲勞斷裂，這個(gè)應(yīng)力值稱為疲勞極限或疲勞強(qiáng)度，亦即金屬材料在無(wú)數(shù)次循環(huán)載荷作用下不致引起斷裂的最大應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力按正弦曲線對(duì)稱循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度以符號(hào)σ-1表示。

產(chǎn)生疲勞斷裂的原因，一般認(rèn)為是由于材料含有雜質(zhì)、表面劃痕及其它能引起應(yīng)力集中的缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)生微裂紋。這種微裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，致使零件有效截面逐步縮減，直至不能承受所加載荷而突然斷裂。為了提高零件的疲勞強(qiáng)度，除應(yīng)改善其結(jié)構(gòu)形狀、減少應(yīng)力集中外，還可采取表面強(qiáng)化的方法，如提高零件的表面質(zhì)量、噴丸處理、表面熱處理等。同時(shí)，應(yīng)控制材料的內(nèi)部質(zhì)量，避免氣孔、夾雜等缺陷。3.金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能3.1、物理性能金屬材料的物理性能主要有密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。由于機(jī)器零件的用途不同，對(duì)其物理性能的要求也有所不同。例如，飛機(jī)零件常選用密度小的鋁、鎂、鈦合金來(lái)制造；設(shè)計(jì)電機(jī)、電器零件時(shí)，常要考慮金屬材料的導(dǎo)電性等。金屬材料的物理性能有時(shí)對(duì)加工工藝也有一定的影響。例如，高速鋼的導(dǎo)熱性較差，鍛造時(shí)應(yīng)采用低的速度來(lái)加熱升溫，否則容易產(chǎn)生裂紋；而材料的導(dǎo)熱性對(duì)切削刀具的溫升有重大影響。又如，錫基軸承合金、鑄鐵和鑄鋼的熔點(diǎn)不同，故所選的熔煉設(shè)備、鑄型材料等均有很大的不同。3.2、化學(xué)性能金屬材料的化學(xué)性能主要是指在常溫或高溫時(shí)，抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力，如耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。對(duì)于在腐蝕介質(zhì)中或在高溫下工作的機(jī)器零件，由于比在空氣中或室溫時(shí)的腐蝕更為強(qiáng)烈，故在設(shè)計(jì)這類零件時(shí)應(yīng)特別注意金屬材料的化學(xué)性能，并采用化學(xué)穩(wěn)定性良好的合金。如化工設(shè)備、醫(yī)療用具等常采用不銹鋼來(lái)制造，而內(nèi)燃機(jī)排氣閥和電站設(shè)備的一些零件則常選用耐熱鋼來(lái)制造。3.3、工藝性能工藝性能是金屬材料物理、化學(xué)性能和力學(xué)性能在加工過(guò)程中的綜合反映，是指是否易于進(jìn)行冷、熱加工的性能。按工藝方法的不同，可分為鑄造性、可鍛性、焊接性和切削加工性等。在設(shè)計(jì)零件和選擇工藝方法時(shí)，都要考慮金屬材料的工藝性能。例如，灰鑄鐵的鑄造性能優(yōu)良，是其廣泛用來(lái)制造鑄件的重要原因，但它的可鍛性極差，不能進(jìn)行鍛造，其焊接性也較差。又如，低碳鋼的焊接性優(yōu)良，而高碳鋼則很差，因此焊接結(jié)構(gòu)廣泛采用低碳鋼。4.金屬材料在高溫下的機(jī)械性能

火力發(fā)電廠熱力設(shè)備在高溫、應(yīng)力下長(zhǎng)期工作，金屬的性能與室溫性能差別很大，主要是因?yàn)榻饘賰?nèi)部的組織要發(fā)生顯著的變化，比如我們后面要講到的珠光體球化、石墨化、合金中碳化物的數(shù)量和結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化等等。因而金屬在高溫下工作，其機(jī)械性能的變化與溫度值、溫度變化幅度、溫度變化率和高溫下工作時(shí)間的長(zhǎng)短均有關(guān)系。

室溫下，金屬受外力作用，如零件不是立即損壞，那么基本上不會(huì)因時(shí)間的延長(zhǎng)而損壞（某些金屬除外），即強(qiáng)度與承載時(shí)間沒(méi)有關(guān)系；但在高溫下，工作情況就不同，零件在加載的時(shí)候不一定損壞，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，即使載荷值不變，零件也能損壞，即強(qiáng)度與承載時(shí)間有關(guān)系。例如，退火狀態(tài)的45號(hào)鋼在5000C時(shí)瞬間強(qiáng)度為b=400MN/㎡，而加應(yīng)力為300MN/㎡，經(jīng)過(guò)20min左右會(huì)斷裂。所以金屬在高溫下工作不能以瞬間強(qiáng)度作為性能指標(biāo)。

金屬在高溫下的機(jī)械性能主要包括以下幾個(gè)方面：（1）、蠕變—金屬在一定的溫度和應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間增加發(fā)生緩慢的塑性變形現(xiàn)象。（2）、持久強(qiáng)度—金屬在高溫和應(yīng)力長(zhǎng)期作用下抵抗斷裂的能力，它是指在一定溫度和規(guī)定持續(xù)時(shí)間內(nèi)引起斷裂的最大應(yīng)力值。熱力設(shè)備一般是指在一定高溫值下工作105小時(shí)產(chǎn)生斷裂的應(yīng)力值，即為該溫度時(shí)的持久強(qiáng)度，以符號(hào)10T表示，其中T表示溫度。（3）、應(yīng)力松弛—零部件在高溫和應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，雖總的變形量不變，但應(yīng)力隨著時(shí)間的增加逐漸下降的現(xiàn)象。（4）、熱疲勞—金屬受熱的時(shí)候，如果膨脹受阻，出現(xiàn)溫度梯度，或者材料本身不均勻會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。如金屬零部件的溫度梯度出現(xiàn)周期性改變（例如，汽輪機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候轉(zhuǎn)子表面溫度高于心部溫度，在停機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)子表面溫度低于心部溫度），熱應(yīng)力也將產(chǎn)生周期性變化。金屬材料經(jīng)受周期性熱應(yīng)力作用而遭到的破壞稱為“熱疲勞”破壞。（5）、熱脆性—指鋼在400~5000C長(zhǎng)期受熱后會(huì)出現(xiàn)沖擊韌性明顯下降的現(xiàn)象。

（6）、低溫脆性—低碳鋼和高強(qiáng)度合金鋼在某些工作溫度下有較高的沖擊韌性，當(dāng)當(dāng)溫度下降到某一溫度后，其沖擊韌性k和斷裂韌性KIC值顯著降低而造成材料的脆化現(xiàn)象。該溫度稱低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT。低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度隨材料成分、冶金質(zhì)量、零件表面質(zhì)量、熱處理不同而不同。FATT不是不變的，金屬在高溫工作過(guò)程中有逐漸升高的現(xiàn)象。Cr-Mo-V鋼（大型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼材）的FATT為80~1200C左右，由于其高于室溫，如果汽輪機(jī)運(yùn)行不當(dāng)，有可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)子脆斷事故。國(guó)外有些電廠以FATT作為劃分冷態(tài)和熱態(tài)啟動(dòng)的界線。我國(guó)的哈爾濱氣輪機(jī)廠引進(jìn)美國(guó)西屋公司技術(shù)生產(chǎn)的600MW機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和北倫港電廠從法國(guó)引進(jìn)的600MW汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子出廠前的超速試驗(yàn)要求在熱箱內(nèi)進(jìn)行，其原因之一就是轉(zhuǎn)子心部溫度要超過(guò)FATT后才允許做超速試驗(yàn)。由于FATT隨著運(yùn)行時(shí)間有升高現(xiàn)象，所以大型機(jī)組在電廠進(jìn)行超速試驗(yàn)前要求經(jīng)過(guò)一段時(shí)間低負(fù)荷暖機(jī)后，迅速卸負(fù)荷，解列后進(jìn)行，起目的也是要求轉(zhuǎn)子心部溫度超過(guò)FATT后才進(jìn)行超速試驗(yàn)。國(guó)產(chǎn)N200汽輪機(jī)規(guī)定，超速前帶20MW負(fù)荷運(yùn)行3~4小時(shí)，使高、中級(jí)轉(zhuǎn)子加熱到3500C以上后，迅速卸負(fù)荷，解列后迅速進(jìn)行超速試驗(yàn)。隨著機(jī)組單機(jī)容量的提高，轉(zhuǎn)子強(qiáng)度裕度減小，國(guó)外對(duì)汽輪機(jī)低溫脆性斷裂問(wèn)題到50年代才暴露出來(lái)。當(dāng)時(shí)美國(guó)有5臺(tái)100~200MW汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子相繼出現(xiàn)斷軸事故后才對(duì)FATT引起重視。到1974年美國(guó)加拉丁電站2號(hào)機(jī)超速試驗(yàn)時(shí)還出現(xiàn)低溫脆性斷裂事故。因此對(duì)轉(zhuǎn)子的低溫脆性應(yīng)引起足夠重視。

4.1金屬材料的穩(wěn)定性

火力發(fā)電廠熱力設(shè)備在高溫和某些介質(zhì)中工作，將引起金屬發(fā)生組織的不穩(wěn)定和化學(xué)性能的不穩(wěn)定兩方面的變化，導(dǎo)致零件破壞，這種損壞是緩慢進(jìn)行的。

4.2化學(xué)穩(wěn)定性這里所述的化學(xué)穩(wěn)定性主要包括以下幾個(gè)方面：（1）、鋼在高溫下的氧化；（2）、鋼的氫腐蝕或蒸汽腐蝕；（3）、鋼的煙氣低溫腐蝕；（4）、鋼的應(yīng)力腐蝕；（5）、鋼的腐蝕疲勞。4.3火電廠用鋼的組織穩(wěn)定性電站鍋爐、汽輪機(jī)用耐熱鋼在長(zhǎng)期高溫和應(yīng)力作用下工作，引起金屬內(nèi)部組織不穩(wěn)定，導(dǎo)致強(qiáng)度下降、蠕變極限和持久強(qiáng)度下降、塑性降低引起脆性破壞，這些組織的穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）珠光體組織發(fā)生球化和碳化物聚集；（2）

碳化物結(jié)構(gòu)石墨化；（3）合金元素在固溶體和碳化物之間進(jìn)行重新分配；（4）發(fā)生時(shí)效使組織中產(chǎn)生新相。

第五部分火電廠過(guò)熱器、再熱器金屬材料高溫氧化電站鍋爐“四管”爆漏停用事故，一直是影響火電機(jī)組安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要因素之一。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明“四管”爆漏停用事故：….占機(jī)組非計(jì)劃停用時(shí)間40%左右；….少發(fā)電量占全部事故少發(fā)電量50%以上；….其中因過(guò)熱器原因引起的爆漏事故占30%左右，而且隨著機(jī)組容量和參數(shù)提高以及運(yùn)行時(shí)間增加有上升的趨勢(shì)，成為影響發(fā)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要因素。作為高溫高壓的承壓部件的過(guò)熱器和再熱器，通常對(duì)其外壁高溫腐蝕關(guān)注的比較多，今年來(lái)隨著電力事業(yè)的快速發(fā)展，亞臨界、超臨界機(jī)組運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，盡管過(guò)熱器、再熱器選用的鋼從12Cr1MoV、G102發(fā)展到T22、T91和奧氏體不銹鋼TP304H、TP347H等，但由于惡劣的服役條件造成管材內(nèi)壁的嚴(yán)重的水蒸氣腐蝕而引發(fā)鍋爐爆管失效以及過(guò)熱器、再熱器管壁剝離下來(lái)的氧化皮造成固體顆粒侵蝕的事故日益突出，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

1、過(guò)熱器、再熱器管高溫水蒸汽氧化機(jī)理鍋爐過(guò)熱器和再熱器的氧化層剝離問(wèn)題，早在上世紀(jì)50年代末，就在國(guó)外的一些鍋爐上發(fā)現(xiàn)，引起了許多過(guò)熱器和再熱器管的堵塞和主汽門(mén)的卡塞以及汽輪機(jī)的固體顆粒侵蝕問(wèn)題。美國(guó)Edison公司在1965年調(diào)查了248臺(tái)機(jī)組，發(fā)現(xiàn)其中214臺(tái)存在這問(wèn)題(占85%)，其中較為嚴(yán)重的有135臺(tái)。研究發(fā)現(xiàn)，這問(wèn)題大多在機(jī)組投運(yùn)數(shù)年后才開(kāi)始出現(xiàn)。國(guó)外把它作為重點(diǎn)問(wèn)題組織進(jìn)行研究，并在1974年的美國(guó)動(dòng)力會(huì)議上發(fā)表了專論。后來(lái)在1981年的英國(guó)材料性能雜志上以及1983年的美國(guó)動(dòng)力會(huì)議上發(fā)表了此專題的論文和一些解決措施的報(bào)道。由于目前對(duì)水蒸汽作用的機(jī)理認(rèn)識(shí)還未完全統(tǒng)一，它也是1994年國(guó)際高溫腐蝕專家論壇討論的第一主題。

1.1金屬的水蒸汽高溫氧化原理

金屬在高溫水蒸汽中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的氧化。在溫度大于450℃下，金屬鐵與水蒸汽反應(yīng)，生成鐵氧化物。3Fe＋4H2O＝Fe3O4＋4H2（1）與鐵發(fā)生氧化的氧來(lái)源于H2O，H2O與O2和H2存在如下平衡關(guān)系：H2O＝H2＋1／2O2（2）因此，水蒸汽的氧化性強(qiáng)弱取決于的比值，在600℃下，與FeO平衡的值約為7左右，對(duì)應(yīng)的平衡氧分壓＝10-26atm左右。在鍋爐實(shí)際工況下，水蒸汽的流量很大，生產(chǎn)的氫很少，而且氫會(huì)隨著水蒸汽跑掉，因此要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于7的數(shù)值，促使反應(yīng)向右進(jìn)行，導(dǎo)致鐵的氧化。從熱力學(xué)角度分析，鐵的高溫水蒸汽氧化是自然過(guò)程，不可避免。

圖1為在氧化膜中的保持不變的情況下，O2和H2在氧化膜中的梯度分布情況。圖10為存在質(zhì)子傳輸?shù)难趸どL(zhǎng)的示意圖?？梢钥吹?，在某些條件下，金屬/氧化膜界面處可能產(chǎn)生很高的氫壓，金屬中也會(huì)有較高的氫含量,從而引發(fā)氧化膜剝落。這可以解釋為什么干條件下氧化所生成的氧化膜粘附力較高，而在水蒸汽條件下就很容易發(fā)生氧化膜的剝落。這也可以解釋一些研究結(jié)果，許多在高溫干燥氧化性氣氛能夠生長(zhǎng)Cr2O3保護(hù)膜的鐵基合金，在水蒸汽氧化條件下其保護(hù)膜難以生長(zhǎng)或不能保持穩(wěn)定。

對(duì)于常用的奧氏體TP347H鋼，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)600℃左右的某一溫度下水蒸汽氧化速度出現(xiàn)急劇增大，其機(jī)理依據(jù)Fuji等提出的水分解機(jī)理時(shí)有如下解釋：在高溫（600℃）水蒸汽氧化首先是氧化膜表面吸附態(tài)的水蒸汽分子與來(lái)自內(nèi)外層氧化界面的Fe離子反應(yīng)，生成氧化亞鐵和吸附態(tài)的氫。吸附的水蒸汽也可分解得到O2-和H+。鐵離子空位、電子空穴以及溶入氧化物中的氫穿過(guò)外氧化物層，在內(nèi)氧化物/外氧化物界面聚集形成孔洞，并發(fā)生逆反應(yīng)，生成的氫氣和水蒸汽存留在孔洞中。在600℃下，F(xiàn)e-Cr耐熱合金表面存在Fe3O4和（Fe，Cr）3O4兩層結(jié)構(gòu)。分解得到H+以比O2-快得多的速度滲入，（Fe，Cr）3O4+8H+=Fe3=+Fe2++Cr3++4H2O

2Fe3=+Fe2++4O2-=Fe3O4

與鐵離子相比，Cr3+的擴(kuò)散速度慢得多，在基體/氧化膜界面形成富集。另一方面，擴(kuò)散進(jìn)入基體/氧化膜界面的水發(fā)生分解，氧和氫離子擴(kuò)散進(jìn)入基體內(nèi)部，鐵以晶內(nèi)擴(kuò)散方式向外層氧化膜/內(nèi)層氧化膜界面擴(kuò)散，并在界面附近氧化，形成鐵鉻氧化物。當(dāng)外層氧化膜生長(zhǎng)至一定厚度時(shí)發(fā)生剝落，然后重復(fù)上述過(guò)程。在這里，主要是水分解的氫促進(jìn)了高溫水蒸汽環(huán)境中金屬內(nèi)氧化物的形成。由于孔洞的大小不均勻，因此得到不規(guī)則的內(nèi)氧化物。有研究表明，合金鋼的水蒸汽氧化，有如下的反應(yīng)2Cr+3H2O=Cr2O3+6H3H2O+2Fe=Fe2O3+3H2

3H2+Cr2O3=2Cr+3H2OFe2O3+4Cr+5H2O=2FeCr2O4+5H2因此，一旦初始氧化形成的Cr2O3膜出現(xiàn)允許水滲透的微裂紋、微通道等缺陷，鋼的氧化反應(yīng)將是自催化的。1.2金屬高溫水蒸汽氧化膜的結(jié)構(gòu)1.2.1鐵素體鋼高溫水蒸汽氧化膜的結(jié)構(gòu)高溫水蒸汽與鐵素體鋼氧化形成的氧化膜見(jiàn)圖3及圖4。氧化層內(nèi)層稱為原生膜(Topotactisheschicht)，外層稱為延伸膜(Epitaktisheschicht)，是由于鐵離子向外擴(kuò)散，水的氧離子向里擴(kuò)散而形成的。內(nèi)層的原生膜是水的氧離子對(duì)鐵直接氧化的結(jié)果。其氧化鐵結(jié)構(gòu)由鋼表面起向外依次為Fe3O4，F(xiàn)e3O4或Fe3O4，F(xiàn)e2O3。內(nèi)層為尖晶型細(xì)顆粒結(jié)構(gòu)，氧化層外層為棒狀型粗顆粒結(jié)