第五章耐热钢.ppt

第三节 耐热钢的组织稳定性 钢材在高温下长期工作时，由于原子的扩散，其组织结构也要发生变化。温度愈高，高温下运行的时间愈长，原子扩散能力就增强，钢的组织结构变化也就愈大。组织发生变化，必然引起机械性能的改变。 第29页，共52页。 一、碳化物的球化 (一)球化的概念及危害 碳化物的球化是指珠光体中的碳化物由片状逐渐转变成球状，所以也常称为珠光体的球化。 图5-1 12Cr1MoV钢原始状态 700× 图5-2 12Cr1MoV钢运行85672h后球化 1000 第30页，共52页。 球化过程包括碳化物从片状转化成球状和球状粒子长大两个过程。 球化的危害:钢中的碳化合物球化后，钢的蠕变极限和持久强度会下降。球化现象越严重，高温性能就越差。 试验证明，12Cr1MoV钢完全球化后，持久强度降低越三分之一。钢的持久强度下降后，其承载能力就相应的减少。在火电厂中，因锅炉钢管严重球化所引起的爆管事故，时有发生。 第31页，共52页。 （二）球化的原因 球光体中片状渗碳体表面积较大，具有较大的表面能量，存在着从较高的能量状态向较低的能量状态转化的趋势。在常温或温度较低时，原子的活动能力较弱，一般不能完成上述的转变，所以这时的片状碳化合物还是比较稳定。但是，在高温和应力的长期作用下，原子的活动能力增强，扩散速度也增大，碳化物从片状向球状的转化便具备了条件。由于球的表面积最小，因而它的表面能量也最小，所以片状碳化物就向球状转变。 电厂用钢引起球化的原因，一是高温，二是高温下工作的时间长。尤其是当超温运行或工作温度经常上、下波动，会促进球化的产生和发展。 （三）球化的监督 在火电厂中对锅炉管子用钢的球化情况要进行监督，特别是我国部分电厂高温高压蒸汽管道的运行时间已经达到或超过了设计的使用年限，珠光体类耐热钢球化现象已较为普遍，对这些管道更要密切注意，定期的检查球化的发展情况。为了加强金属的监督，已经编制了球化级别标准，可作为各电厂金属监督评定球化时作参考。 第32页，共52页。 二、石墨化 在高温和应力长期作用下，碳钢和含钼的低合金耐热钢组织中的渗碳体易分解为铁和石墨，这个过程称为石墨化。 Fe3C→3Fe＋C（石墨） C呈游离状态聚集于钢中，由于石墨的强度和塑性几乎等于零，故游离状态的石墨析出后，钢中便如出现了孔洞和裂缝，造成钢材内部应力集中，使钢材的硬度和塑性明显著下降，脆性增加。 国内外均发生过因石墨化而引起的爆管事故。 第33页，共52页。 如图5-21所示。用化学方法将石墨碳从钢中离析出来，所贯彻到的石墨碳，其颜色如同焦炭，有的呈条状，有的呈粒状，大小不均。钢材料的化学成分对石墨化的影响最大，铝和硅是促进石墨化的元素；铬、钛、铌、钒等碳化合物形成元素，可以有效地阻止产生石墨化，其中铬元素的效果为最好。 图5-3 20钢过热器管石墨化微观组织 第34页，共52页。 三、固溶体中合金元素的贫化 在高温和应力的长期作用下，耐热钢由于原子扩散能力增加，将导致合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配。 合金元素重新分配的特点是：因溶体中合金元素的含量逐渐减少，而碳化物中合金元素的含量逐渐增加，于是出现固溶体中合金元素逐渐贫化的现象。固溶体中合金元素贫化后，钢的蠕变极限和持久强度将要降低。 固溶体中台金元素的贫化与原子的扩散过程有关。若钢中加入能延缓扩散过程的合金元素，就能提高固溶体的稳定性，从而减少固溶体中合金元素贫化的程度。钢中若加入强碳化物形成元素钨、钒、铌、钛等，就能起到稳定固溶体，阻碍钼和铬元素从固镕体中向碳化物迁移。 第35页，共52页。 第四节 耐热钢中的合金元素及其作用 钢材的耐热性能主要是通过合金化来达到的。 所谓合金化，就是在碳钢的基础上加入可以提高热稳定性和热强性的合金元素。 最常用的合金元素是铬、钼、钒、钨、钛、铌、硼、硅、稀土元素等。加入的合金元素种类和含量不同，钢的组织和耐热性能就不一样，使用时的工作参数也就不同。 第36页，共52页。 一、耐热钢的强化原理 耐热钢的高温强度主要取决于固溶体的强度、晶界强度和碳化物的强度。钢中加入合金元素就是为了使这三者强化。 (一)固溶体强化 固溶体强化是耐热钢高温强化的重要方法之一。低合金耐热钢管的组织是以固溶体为基体的。提高固溶体的强度，增加固溶体的组织稳定性，都能有效地提高耐热钢的高温性能。 加入合金元素，以增加原子之间的结合力，可使固溶体强化。 外来原子溶入固溶体使晶格畸变，也能提高强度； 有些元素能提高再结晶温度，延缓再结晶过程的进行，从而组织的稳定性，也同样能提高强度。 通常用于强化固溶体的合金元素有铬、钼、钨、锰