金属技术监督讲座资料(4)

1）当初紧应力一定时，选择抗松弛性能高的，以保证紧固件在经设计运行后，其初紧应力不不于最小密封应力。

2）当所用材料一定时，提高初紧应力，以保证紧固件经设计运行后的应力不小于最小密封应力。 但是，提高初紧应力受材料本身的强度限制，为此仍以选择抗松弛性能高的材料为好。

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（二）金属在长期运行中的组织性质变化

无论奥氏体钢或珠光体钢，在高温下长期运行，不但会发生蠕变、断裂和应力松弛等形变过程，而且还会发些内在的组织和性质的变化。这一点和室温下使用的钢材完全不同，在室温条件下，钢的组织和性质一般均较稳定，不随使用时间而改变。

锅炉、汽轮机高温部件所用钢材在高温下长期运行中发生的组织性质变化主要有：

珠光体的球化和碳化物的聚集；碳钢和钼钢石墨；热脆性；合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配。

1．珠光体球化和碳化物聚集

（1）珠光体球化和碳化物聚集，是所有珠光体耐热钢，如20号优质碳素钢、12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV、12Cr3MoVSiTiB（п11）、12Cr2MoWVB（钢）102、10CrMo910，或其它相应钢种，在电厂长期高温运行下最常见的一种内在组织变化形式。

珠光体球化是指钢中原来的珠光体中的片层状渗碳体（在合金钢中称为合金渗碳体或合金碳化物），在高温下长期运行过程中，逐步改变其形状，由片层状改变为球状碳化物，球化后的碳化物通过聚集长大，使小球变为大球的过程。

钢材在高温下运行，珠光体的球化和碳化物的聚集是必然发生的。因为，片状渗碳体的表面积与体积的比值比球状碳化物的表面积与体积的比值大得多，也就是说，在同样体积情况下，片状渗碳体比球状渗碳体具有更大的表面积，即片状渗碳体比球状渗碳体具有更高的表面能。在自然界中，能量高的状态总要向能量低的状态变化，因此片层状渗碳体在有温度作用下总是要力求变为球状，小球要力求变为大球，这是珠光体耐热钢金属部件长期在高温下运行过程中的必然变化规律。珠光体的球化过程见示意图7-10。

珠光体耐热钢发生球化后，使钢的室温强度极限和屈服极限下降，同时也使钢的抗蠕变能力和持久极限下降。当20号碳素钢发生严重球化后其强度极限 与屈服极限 ，分别可下降约160MPa，15CrMo、12Cr1MoV钢严重球化后， 约下降100MPa。含0.5％Mo钢在482℃使用20年以后蠕变极限与持久强度分别降低到46％与52％；如果在538℃使用20的后，蠕变极限与持久强度分别降低到23％与45％。可见，使用温度越高，碳化物球化现象越严重，高温性能也 越差。

（2）影响珠光体球化的因素。

1）温度与时间的影响。温度与时间是影响钢材球化的最主要的外因，因为球化过程是原子的扩散过程，而原子的扩散，又主要是由温度和时间所决定的。温度和完全球化的时间可由一指数关系表示

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（7-4）

式中 η——球化达到一定程度所需的时间，小时；

A——决定于钢化学成分和晶粒度的系数；

b——常数（对珠光体钢b＝33000）；

T——绝对温度。

从式（7-4）可以看出，要达到同一极化程度，湿度越高所需的球化时间应越短。

2）化学成分的影响。钢的化学成分对珠光体球化也有较大的影响。由于球化过程是与碳的扩散速度有关，因此，凡能形成稳定碳化物的合金元素，都能减缓珠光体球化过程。在同一温度下，在防止珠光体球化方面，Cr－Mo－V钢比Cr－Mo钢稳定，Cr－Mo钢化碳钢稳定。W、Nb、Ti等元素在钢中也是强碳化形成元素，因此这些元素也能阻碍珠光体球化的发展。

3）塑性变形及晶粒度的影响。塑性引起的加工硬化及晶粒的细化，都将会促进球化过程。例如，0.5％钼钢在500℃球化时，精晶粒钢需要24000h，细晶粒钢只需要16000h，而对经剧烈变形的钢仅需要5000h。

为此，在相同工况条件下，原始状态为退火组织的珠光体球化程度要比正火组织的珠光体球化程度轻；经冷变形的钢材比未冷变形的钢材的球化过程要快。

2．钢材石墨化

在高温应力长期作用下，碳钢和含钼的低合金耐热珠光体组织中的渗碳体（即Fe3C）分解为铁和游离碳（即石墨），这个过程就称为石墨化。

石墨化现象可用以下反应式表示：

Fe3C→3Fe＋C（石墨）

上式中的碳呈游离状态聚集在一起而存在于钢中，石墨的强度和塑性都几乎为零。当游离状态的石墨析出后，就好像在钢中出现了孔洞和裂缝，而造成了钢材内部的应力集中，使强度和塑性显著下降，脆性增加，严重石墨化会引起爆管事故。由石墨化引起的爆管事故在国内外均有发生。美国在1943年用含0.5%钼的低合金热钢作高压主蒸汽管道，在505℃温度下仅运行五年半就发生了爆管事故。后经分析证明，爆管原因主要是在管道焊缝热影响区已产生严重石墨化现象，石墨沿晶界析出，引起了钢材的脆化。管道断裂前未发生显著变形，属于脆性断裂，这一事故造成了厂房的严重损坏，并造成人员死亡。某厂中压机组20号钢主蒸汽管道在运行118000h后已发

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生了较为严重的石墨化现象，钢中总含碳量为0.195％，石墨碳化含量已高达0.092%～0.101%，石墨碳含量占钢中总碳量的47.18%～51.79%，强度极限指标 降至最小352.8MPa（36kg·f/mm2），与20号钢强度极限最小值411.6MPa（42kg·f/mm2）比较，已下降8.3%～14.3%，运行约57000h的带披肩三通已接近中度石墨化，当时对主蒸汽管道作了换管处理。除此之外，浙江省一中压机组过热器出口联箱以及次高压机组低温过热器均出现过石墨化现象（见图7-11）。

一般碳钢在450℃以下，含0.5％钼钢约在480℃以上运行几万小时后就可能出现石墨化现象，且在钢的下临界温度Acl以下温度愈高，石墨化过程也愈迅速。

除温度的影响外，化学成分对石墨化影响较大，铝（Al）和硅（Si）是促进石墨化元素。当钢冶炼时，Al作为脱氧剂加入钢中，若每吨钢加入量达0.6～1kg时，在大多数情况下会发生石墨化；当碳钢和钼钢冶炼时脱氧不用Al或加Al不0.25kg/t钢时，则实际上不会出现石墨化。浙江省某厂中压机组主蒸汽管道在运行11.8万h后发生了较为严重的石墨化现象，其中一个很重要的原因就是其含Al量高，作为耐热钢含Al量不应超过0.025％，而该厂主蒸汽管材经分析其酸溶Al量高达0.038％，大大高于控制含量，从而大大促进了该厂主蒸汽管道石墨化过程的发展。 同样，钢材组织晶粒度大小和冷变形均影响石墨化过程。由于石墨易沿晶界析出，所以粗晶粒钢比细晶粒钢的石墨化倾向小，在相同温度情况下，正火钢比退火钢的石墨化倾向大，冷变形后促进石墨化过程。为此对有石墨化倾向并具备石墨化工作条件的钢管在冷弯后必须进行热处理。 在高压蒸汽管道中，石墨化还最易发生在焊缝热影响区部位。尤其是热影响区中温度在Acl附件（700～730℃）的不完全重结晶段，更有利于Fe3C分解，从而利于石墨化过程的进行。

3．钢的热脆性

钢在一定温度区域（如400～500℃）长期运行后会产生冲击韧性显著降低的现象，这种脆化现象就被称之为钢的热脆性。

呈现热脆性的钢在高温下冲击韧性值并不降低，只有当在室温时才呈现出脆性，与其正常试样相比a k值下降50％～60％，甚至下降80％～90％。

几乎所有的钢都有产生热脆性的倾向，珠光体钢在热脆性发生的同时，强度和塑性等其它性能一般不发生变化；而奥坻体钢则反，在热脆性发生变化的同时，还往往发生强度和塑性等其它性能的变化。碳钢只有在塑性变形情况下才能出现热脆性。 …… 此处隐藏：2881字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……