电厂金属材料 第5章 耐热钢

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1、第五章耐热钢7/17/20211钢在高温下能够保持化学稳定性（耐腐蚀、不起皮）得品质，叫做钢的热稳定性；钢在高温下具有足够强度的品质，叫做钢的热强性。具有热稳定性和热强性的钢，称为耐热钢。火电厂热力设备中很多零部件是在高温、高压和腐蚀介质中长期工作的。因此，这些零部件需用耐热钢制造。此外，耐热钢还用来制造汽车和飞机发动机的排气阀，化学热处理设备中的耐热构件等。7/17/20212一、高温对钢材强度的影响钢材的工作温度超过某一温度后，钢的抗拉强度Rm要降低；钢材在高温下使用的时间越长，其强度极限也会越低。第一节耐热钢的

2、高温性能7/17/20213机械性能温度和实践的关系，可用强度极限与温度的关系曲线表示，如图5-1所示。铁及其合金在200～300℃时的强度比室温时高，其脆性也比室温时大，这种现象称为兰脆。从5-1中还可以看出，350℃以上时抗拉强度逐渐下降，强度曲线分为两根，上面的一根为快速试验时的强度曲线，下面的一根为缓慢试验时的强度曲线。应力超过上面的曲线时，试样就断裂；应力低于下面的曲线时，一般认为试样不会发生断裂；应力位于两根曲线之间时，试样断裂需经过一定的时间。应力越接近上面的曲线，试样断裂所经历的时间越短。7/17/2

3、0214金属的强度是由晶内强度（晶粒内原子的引力）和晶界强度（晶界的结合力）两部分所组成。常温下晶界强度大于晶界强度，这是因为晶界的原子排列不规则，而且晶体缺陷又较多，从而具有较大的抗变形能力，金属的破坏总是带有金属内破坏（穿晶破坏）的特点。随着温度的升高，晶内强度和晶界强度都将下降。但晶界的原子比晶内的原子更不稳定，晶界的缺点又比晶内的多，在较高温度下原子的扩散速度就大，因此晶界强度的下降速度就快。到达某一温度后，晶界强度就底于晶内强度，如图5-2所示。7/17/20215晶内强度与晶界强度相等的温度，称为等强度温

4、度（等强度）。如果工作温度超过等强度温度，刚才的破坏形式就开始转为晶粒之间的破坏（沿晶破坏），即在晶界处因晶粒之间的相对滑移而产生裂纹，然后裂纹沿晶界扩展，导致脆性断裂。等强度温度与载荷速度（形变速度）等因素有关。等强度温度随着载荷速度的降低而下降。在热力设备中，有些零部件实在高温和应力的长期作用下（相当与载荷速度很小的情况下）工作的，刚才的破坏往往属于晶粒间的脆性断裂，在高速载荷下，如短期超温爆管（相当与冲击或短时拉伸），等强度温度就比较高，又会产生晶内（穿晶）塑性断裂的形式。钢在常温下和高温下的断裂形式不同，说明

5、温度对晶内强度和晶界强度的影响不同，这也意味着晶粒的大小对刚才强度的影响与温度密切相关。在常温下细晶粒对强度有利，而高温时（超过等强度温度）晶粒粗一些对强度有利。7/17/20216二、蠕变（一）蠕变的概念金属在一定的温度和应力的作用下，随着时间的增加，缓慢地发生塑性变形的现象，称为蠕变。某些低熔点的金属（如铅，锡等）在室温下也会发生蠕变。碳钢当温度超过350℃，低合金钢当温度超过350-400℃，在应力的长期作用下都有蠕变现象。温度越高，应力越大，蠕变的速度也就越快。蠕变的形变量，叫做蠕胀。高压锅炉和气轮机设备，可

6、能引起蠕变的零部件很多，例如蒸汽过热器的蛇形管及其出口联箱，过热蒸汽管道和紧固件等。蠕变现象严重会造成管壁的减薄，甚至会引起爆管，因此，抗蠕变能力的饿大小（蠕变极限）是衡量耐热钢高温机械性能的一个重要技术指标。7/17/20217（二）蠕变曲线描述金属蠕变整个形变过程的曲线，叫做蠕变曲线。典型的蠕变曲线如图5-3所示。7/17/20218蠕变的变形过程分为三的阶段：oa——开始部分。这是加上载荷所引起的瞬间变形。如果所加的应力值超过了该温度下的弹性极限，这种变形实际上包括弹性变形和塑性变形两部分。这一变形还不标志蠕变

7、现象，而是外力家上后所引起的一般变形现象。ab——蠕变第一阶段。这是蠕变的不稳定阶段，金属以逐渐减慢的的变形速度积累着塑性变形。这一阶段的蠕变速度是很大的。bc——蠕变第二阶段。这是金属以恒定的蠕变速度产生塑性变形的阶段，这一阶段蠕变速度很小，bc近似直线，角a的正切表示蠕变速度。cd——蠕变第三阶段。这是蠕变的最后阶段，金属以逐渐增加的变形速度积累着塑性变形量，直至d点发生断裂。7/17/20219不同的金属材料进行实验时，得到的蠕变曲线是不同，同一种金属材料的蠕变曲线也随着实验条件（温度，应力）的不同而不同。应力

8、和温度对蠕变曲线的影响，如图5-4，图5-5所示。7/17/202110(三)蠕变强度工程上用蠕变极限作为蠕变抗力的技术指标。蠕变强度通常有两种表示方法。一种方法是以一定的工作温度下引起规定的第二阶段蠕变速度的应力值来表示。热力设备零部件用钢中规定的蠕变速度，一般是或蠕变极限就相应写成或。有时也以或表示在温度t时的蠕变极限，单位是MPa。7/1