第2章-金屬性能

1、第二章 金屬材料的高溫特性 2-1 金屬材料的機(jī)械性能金屬材料的機(jī)械性能 一、強(qiáng)度一、強(qiáng)度 金屬在受力時(shí)抵抗破壞的能力稱為材料的強(qiáng)金屬在受力時(shí)抵抗破壞的能力稱為材料的強(qiáng)度。有抗拉、抗壓、抗彎、抗扭強(qiáng)度等指標(biāo)?？啥?。有抗拉、抗壓、抗彎、抗扭強(qiáng)度等指標(biāo)?？捎脴O限應(yīng)力值表示。用極限應(yīng)力值表示。 e 彈性極限，不產(chǎn)生永久變形，所能承受的彈性極限，不產(chǎn)生永久變形，所能承受的最大應(yīng)力，。最大應(yīng)力，。 s屈服極限，不增加負(fù)荷，變形增加的最小屈服極限，不增加負(fù)荷，變形增加的最小應(yīng)力，。應(yīng)力，。 b強(qiáng)度極限，金屬發(fā)生破壞時(shí)承受的最大應(yīng)強(qiáng)度極限，金屬發(fā)生破壞時(shí)承受的最大應(yīng)力，。力，。 二、塑性二、塑性 應(yīng)力超過(guò)屈

2、服點(diǎn)后，材料產(chǎn)生永久變形應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)后，材料產(chǎn)生永久變形而不發(fā)生斷裂破壞的能力。而不發(fā)生斷裂破壞的能力。 可以用延伸率和斷面收縮率來(lái)表示?？梢杂醚由炻屎蛿嗝媸湛s率來(lái)表示。100*100lll= % =010*100FFF% 三、硬度三、硬度 材料抵抗硬的物體壓入其表面的能力，常材料抵抗硬的物體壓入其表面的能力，常用布氏硬度和洛氏硬度兩種表示方法。用布氏硬度和洛氏硬度兩種表示方法。 四、沖擊韌性四、沖擊韌性 定義：抵抗沖擊負(fù)荷的能力。定義：抵抗沖擊負(fù)荷的能力。 2-2 金屬疲勞 1定義 金屬材料在交變應(yīng)力隨時(shí)間作周期性改變的應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下發(fā)生斷裂破壞的現(xiàn)象稱為金屬疲勞。 金屬疲勞最易發(fā)生在做

3、旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)的承載部件上，如汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子、葉片等。 2 疲勞破壞的特征 由于頻繁的設(shè)備啟、停，變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)壓力和溫度的變化和波動(dòng)，因此疲勞破壞的特點(diǎn)是突然性的。 3. 疲勞的分類疲勞的分類 按照試驗(yàn)破壞前經(jīng)歷的負(fù)荷循環(huán)周期的按照試驗(yàn)破壞前經(jīng)歷的負(fù)荷循環(huán)周期的多少分為：多少分為： 高周期疲勞高周期疲勞: 周期周期 小時(shí)小時(shí) 例如：熱例如：熱疲勞疲勞 低周期疲勞低周期疲勞: 周期周期 小時(shí)小時(shí) 例如：腐例如：腐蝕疲勞蝕疲勞 510510 4. 疲勞產(chǎn)生的原因疲勞產(chǎn)生的原因 一般認(rèn)為在交變應(yīng)力作用下，雖然應(yīng)力一般認(rèn)為在交變應(yīng)力作用下，雖然應(yīng)力小于強(qiáng)度極限，但由于金屬材料表面或內(nèi)小于強(qiáng)度極限，但由于

4、金屬材料表面或內(nèi)部有毛刺、劃痕及夾雜等缺陷，造成應(yīng)力部有毛刺、劃痕及夾雜等缺陷，造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致微裂紋，由此造成疲勞源，在集中而導(dǎo)致微裂紋，由此造成疲勞源，在交變應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下裂紋逐漸擴(kuò)展，直交變應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下裂紋逐漸擴(kuò)展，直至破壞。至破壞。 5. 疲勞極限疲勞極限 金屬材料承受疲勞的能力可以用疲勞極金屬材料承受疲勞的能力可以用疲勞極限衡量。限衡量。 。 6影響疲勞極限的因素影響疲勞極限的因素 內(nèi)在因素：材料本身的強(qiáng)度、塑性、組織結(jié)內(nèi)在因素：材料本身的強(qiáng)度、塑性、組織結(jié)構(gòu)、纖維方向、內(nèi)部缺陷等，材料的強(qiáng)度和塑性構(gòu)、纖維方向、內(nèi)部缺陷等，材料的強(qiáng)度和塑性越好，抗疲勞斷裂的能力越大。越好，抗

5、疲勞斷裂的能力越大。 外在因素：零件的工作條件、表面光潔度等。外在因素：零件的工作條件、表面光潔度等。 內(nèi)部有夾雜、表面光潔度低，有刀痕和磨痕，內(nèi)部有夾雜、表面光潔度低，有刀痕和磨痕，都可以引起應(yīng)力集中而使疲勞極限下降。都可以引起應(yīng)力集中而使疲勞極限下降。 另外，在酸性、堿性、鹽的水溶液等腐蝕性介另外，在酸性、堿性、鹽的水溶液等腐蝕性介質(zhì)中長(zhǎng)期工作的金屬制品，表面會(huì)發(fā)生腐蝕，腐質(zhì)中長(zhǎng)期工作的金屬制品，表面會(huì)發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物嵌入金屬內(nèi)，會(huì)造成應(yīng)力集中而使疲勞極蝕產(chǎn)物嵌入金屬內(nèi)，會(huì)造成應(yīng)力集中而使疲勞極限下降。限下降。 150 電廠 1機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋A處形貌照片1機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋B、C處形貌照片1機(jī)轉(zhuǎn)子裂

6、紋D、E、F、G、H、I、J處形貌照片 2-3 金屬蠕變 1. 金屬的蠕變現(xiàn)象 金屬在高溫條件下工作，雖然受到的熱應(yīng)力較小，但長(zhǎng)期在該應(yīng)力的作用下，也會(huì)發(fā)生緩慢的但是連續(xù)的塑性變形。 金屬在一定的溫度和壓力下，隨時(shí)間的延續(xù)所發(fā)生緩慢的連續(xù)的塑性變形現(xiàn)象稱為蠕變現(xiàn)象，金屬的變形稱為蠕變。 不同的金屬材料，開始發(fā)生蠕變的溫度各不相同，速度也不相同，且溫度越高，蠕變現(xiàn)象愈顯著，普通碳素鋼約在200350,合金鋼則在400以上。 電廠熱力設(shè)備中，長(zhǎng)期工作在高溫下的電廠熱力設(shè)備中，長(zhǎng)期工作在高溫下的過(guò)、再熱器管道等都會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象，嚴(yán)過(guò)、再熱器管道等都會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管壁變薄，強(qiáng)度下降，最后

7、引重時(shí)會(huì)造成管壁變薄，強(qiáng)度下降，最后引起爆管破壞。引起蠕變的應(yīng)力可能是一種，起爆管破壞。引起蠕變的應(yīng)力可能是一種，也可能發(fā)生在復(fù)雜的應(yīng)力下，多數(shù)情況下，也可能發(fā)生在復(fù)雜的應(yīng)力下，多數(shù)情況下，引起蠕變的應(yīng)力主要是由于拉應(yīng)力。引起蠕變的應(yīng)力主要是由于拉應(yīng)力。 2蠕變過(guò)程曲線）蠕變過(guò)程曲線） 金屬蠕變時(shí)，其變形金屬蠕變時(shí)，其變形與時(shí)間與時(shí)間的的關(guān)系曲線稱為金屬的蠕變曲線。典型的蠕關(guān)系曲線稱為金屬的蠕變曲線。典型的蠕變曲線如圖變曲線如圖23所示，大致可以分為四個(gè)所示，大致可以分為四個(gè)部分：部分： 瞬時(shí)變形瞬時(shí)變形oa 開始加載后的瞬時(shí)變形，如果加載力超開始加載后的瞬時(shí)變形，如果加載力超過(guò)金屬在該溫度下

8、的彈性極限，變形則包過(guò)金屬在該溫度下的彈性極限，變形則包括彈性變形和塑性變形。括彈性變形和塑性變形。 第一階段第一階段ab 特點(diǎn)：減速階段，變形速度逐漸下降。特點(diǎn)：減速階段，變形速度逐漸下降。 第二階段第二階段bc 特點(diǎn)：穩(wěn)定階段，變形速度保持平穩(wěn)。特點(diǎn)：穩(wěn)定階段，變形速度保持平穩(wěn)。 第三階段第三階段cd 特點(diǎn)：加速階段，直至材料發(fā)生破壞。特點(diǎn)：加速階段，直至材料發(fā)生破壞。 3. 應(yīng)力與溫度對(duì)蠕變的影響應(yīng)力與溫度對(duì)蠕變的影響 不同材料在相同條件下蠕變曲線不同，同一材不同材料在相同條件下蠕變曲線不同，同一材料隨著應(yīng)力與溫度的不同，蠕變曲線也不相同。料隨著應(yīng)力與溫度的不同，蠕變曲線也不相同。從圖從

9、圖2-4中可以看出，應(yīng)力與溫度對(duì)蠕變的影響相中可以看出，應(yīng)力與溫度對(duì)蠕變的影響相類似，相同溫度下，材料蠕變的第二階段，隨著類似，相同溫度下，材料蠕變的第二階段，隨著應(yīng)力的增大而縮短，應(yīng)力越大，蠕變速度越大，應(yīng)力的增大而縮短，應(yīng)力越大，蠕變速度越大，應(yīng)力越小，第二階段持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，甚至不出現(xiàn)應(yīng)力越小，第二階段持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，甚至不出現(xiàn)第三階段。第三階段。 蠕變直接影響到零部件的壽命，因此，運(yùn)行時(shí)蠕變直接影響到零部件的壽命，因此，運(yùn)行時(shí)不允許有較大的變形量，對(duì)蠕變變形量有嚴(yán)格的不允許有較大的變形量，對(duì)蠕變變形量有嚴(yán)格的要求。因此，對(duì)這些部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，要以要求。因此，對(duì)這些部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，要

10、以蠕變極限作為強(qiáng)度計(jì)算指標(biāo)。蠕變極限作為強(qiáng)度計(jì)算指標(biāo)。 4蠕變極限蠕變極限 試件在一定溫度下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生小于某試件在一定溫度下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生小于某規(guī)定值的蠕變變形量或蠕變速度時(shí)的最大應(yīng)力稱規(guī)定值的蠕變變形量或蠕變速度時(shí)的最大應(yīng)力稱為蠕變極限。用為蠕變極限。用 或或 表示。表示。 式中：式中：應(yīng)力，應(yīng)力，Mpa, t 工作溫度，工作溫度， 持續(xù)時(shí)間，持續(xù)時(shí)間，h 變形量，變形量，% 變形速度，變形速度，% 例：例： 表示試件在表示試件在700，持續(xù)時(shí)間為，持續(xù)時(shí)間為10000h，產(chǎn)生的變形量為產(chǎn)生的變形量為1%時(shí)，能承受的最大應(yīng)力。時(shí)，能承受的最大應(yīng)力。/t/HtvHv70041/

11、10 5持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度 試件在某一溫度下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，引起斷裂試件在某一溫度下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，引起斷裂的最大應(yīng)力值稱為持久強(qiáng)度。的最大應(yīng)力值稱為持久強(qiáng)度。 =30Mpa，表示在，表示在700時(shí)，持續(xù)時(shí)間為時(shí)，持續(xù)時(shí)間為100h，持久強(qiáng)度為持久強(qiáng)度為30MPa。 以上二種指標(biāo)都能反映金屬材料的高溫性能，以上二種指標(biāo)都能反映金屬材料的高溫性能，但側(cè)重點(diǎn)不同。蠕變極限以材料變形為主，如汽但側(cè)重點(diǎn)不同。蠕變極限以材料變形為主，如汽輪機(jī)葉片，只允許產(chǎn)生一定的變形，設(shè)計(jì)時(shí)必須輪機(jī)葉片，只允許產(chǎn)生一定的變形，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮蠕變極限?？紤]蠕變極限。 持久強(qiáng)度對(duì)材料變形要求不嚴(yán)格，如鍋爐受熱持久強(qiáng)度對(duì)材料變

12、形要求不嚴(yán)格，如鍋爐受熱面管子，要求運(yùn)行中不發(fā)生爆管即可，以持久強(qiáng)面管子，要求運(yùn)行中不發(fā)生爆管即可，以持久強(qiáng)度作為高溫強(qiáng)度的性能指標(biāo)。度作為高溫強(qiáng)度的性能指標(biāo)。700100700100 6影響蠕變的因素影響蠕變的因素 通常認(rèn)為蠕變?nèi)Q于合金的化學(xué)成分、冶煉工通常認(rèn)為蠕變?nèi)Q于合金的化學(xué)成分、冶煉工藝、晶格大小及工作溫度等。藝、晶格大小及工作溫度等。 化學(xué)成分化學(xué)成分 普通碳鋼抗蠕變性能較差，蠕變起始溫度大約普通碳鋼抗蠕變性能較差，蠕變起始溫度大約為為300。加入。加入Cr、Mo、V、W等合金可以提高等合金可以提高金屬的抗蠕變性能，尤其以金屬的抗蠕變性能，尤其以Mo最有效，特別是含最有效，特別是

13、含有大量鉻的高合金的鉻鎳銅鋼有很好的抗蠕變性有大量鉻的高合金的鉻鎳銅鋼有很好的抗蠕變性能，蠕變起始溫度可以提高到能，蠕變起始溫度可以提高到400以上。以上。 冶煉工藝冶煉工藝 電爐鋼優(yōu)于平爐鋼，電爐鋼中高頻爐鋼優(yōu)于電電爐鋼優(yōu)于平爐鋼，電爐鋼中高頻爐鋼優(yōu)于電弧爐鋼?；t鋼。 晶粒大小晶粒大小 實(shí)踐證明，高溫下，粗晶粒鋼具有較高的抗蠕變性能，但晶粒變粗會(huì)降低材料的塑性和韌性。 溫度 溫度越高，金屬抗蠕變性能減弱，另外，溫度的波動(dòng)會(huì)加快鋼材蠕變速度，例如，15CrMo鋼材，在485535之間波動(dòng)時(shí)，比處于510條件下，蠕變速度高35倍。因此，溫度波動(dòng)對(duì)金屬工作很不利。 7蠕變監(jiān)督蠕變監(jiān)督 重要熱力設(shè)

14、備應(yīng)對(duì)其進(jìn)行蠕變變形監(jiān)督，重要熱力設(shè)備應(yīng)對(duì)其進(jìn)行蠕變變形監(jiān)督，尤其在高溫下蒸汽管道、聯(lián)箱、汽缸等部尤其在高溫下蒸汽管道、聯(lián)箱、汽缸等部件更重要。件更重要。 目前，測(cè)量管道蠕變變形表現(xiàn)為直徑脹目前，測(cè)量管道蠕變變形表現(xiàn)為直徑脹大這一現(xiàn)象。用不銹鋼做成一定形狀的測(cè)大這一現(xiàn)象。用不銹鋼做成一定形狀的測(cè)點(diǎn)，運(yùn)行中定期測(cè)量，進(jìn)行結(jié)果換算。點(diǎn)，運(yùn)行中定期測(cè)量，進(jìn)行結(jié)果換算。2-4 金屬的松弛 1定義定義 在一定高溫和一定應(yīng)力狀態(tài)下，總變形保持不在一定高溫和一定應(yīng)力狀態(tài)下，總變形保持不變，應(yīng)力隨時(shí)間逐漸降低的現(xiàn)象，稱為金屬的松變，應(yīng)力隨時(shí)間逐漸降低的現(xiàn)象，稱為金屬的松弛。弛。 o=p+e=常數(shù)常數(shù) （26）

15、 式中式中 o松弛開始時(shí)金屬的總變形；松弛開始時(shí)金屬的總變形； p塑性變形；塑性變形； e彈性變形；彈性變形； =Ee （27） 式中式中 金屬的彈性應(yīng)力；金屬的彈性應(yīng)力； E材料的彈性模數(shù)。材料的彈性模數(shù)。 圖25 p 與e 之間的關(guān)系 在松弛過(guò)程中，彈性變形e減小，塑性變形p增加，所以應(yīng)力降低。緊固好的法蘭螺栓，在運(yùn)行中又自行變松的現(xiàn)象可以用松弛的理論來(lái)解釋。 2. 金屬松弛的防止 金屬的這種松弛現(xiàn)象使螺栓初緊力下降，導(dǎo)致法蘭結(jié)合面漏汽，因此，要采取一定的措施?？梢赃x擇抗松弛性能好的材料做螺栓，提高初緊力。 2-5 金屬的脆化 鋼材發(fā)生脆化現(xiàn)象大致可分為兩類：鋼材發(fā)生脆化現(xiàn)象大致可分為兩類

16、： 一類是在溫度條件下出現(xiàn)的脆性，當(dāng)溫度條件改一類是在溫度條件下出現(xiàn)的脆性，當(dāng)溫度條件改變后，脆性自動(dòng)消失；或在一定溫度下，經(jīng)過(guò)一變后，脆性自動(dòng)消失；或在一定溫度下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后出現(xiàn)的脆性，但金屬的組織并無(wú)明顯變段時(shí)間后出現(xiàn)的脆性，但金屬的組織并無(wú)明顯變化，屬于此類的有冷脆性、蘭脆性、熱脆性和回化，屬于此類的有冷脆性、蘭脆性、熱脆性和回火脆性等?；鸫嘈缘取?另一類是金屬受到交變應(yīng)力作用、介質(zhì)的侵蝕及另一類是金屬受到交變應(yīng)力作用、介質(zhì)的侵蝕及在高溫下長(zhǎng)期工作后，因金屬組織的改變而引起在高溫下長(zhǎng)期工作后，因金屬組織的改變而引起的脆化現(xiàn)象。這種脆性一旦出現(xiàn)，一般難以消除。的脆化現(xiàn)象。這種脆性一旦出

17、現(xiàn)，一般難以消除。本節(jié)討論第一類脆性情況。本節(jié)討論第一類脆性情況。1.冷脆性冷脆性低溫下金屬材料呈現(xiàn)的脆性稱為冷脆性。低溫下金屬材料呈現(xiàn)的脆性稱為冷脆性。 部件在低溫下發(fā)生的低應(yīng)力脆斷，都部件在低溫下發(fā)生的低應(yīng)力脆斷，都是冷脆性所致，冷脆性與金屬的晶格有關(guān)，是冷脆性所致，冷脆性與金屬的晶格有關(guān)，僅產(chǎn)生于具有體心立方晶格的金屬中，如僅產(chǎn)生于具有體心立方晶格的金屬中，如鐵，鎢等，具有面心晶格的鋁，鎳，銅，鐵，鎢等，具有面心晶格的鋁，鎳，銅，及其合金不發(fā)生低溫脆斷特性，為避免冷及其合金不發(fā)生低溫脆斷特性，為避免冷脆性造成的事故，應(yīng)知道材料的低溫脆性脆性造成的事故，應(yīng)知道材料的低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度

18、FATT令其工作在令其工作在FATT之外。之外。 例如某電廠1汽輪機(jī)是上海汽輪機(jī)廠早期產(chǎn)品，按規(guī)程中參考啟動(dòng)曲線，從鍋爐點(diǎn)火到滿負(fù)荷需要510min，但實(shí)際啟動(dòng)時(shí)一般在600min左右。 原因如下： 中速暖機(jī)時(shí)，中壓缸轉(zhuǎn)子無(wú)法接近或渡過(guò)FATT，延長(zhǎng)了啟動(dòng)時(shí)間。 低負(fù)荷暖機(jī)時(shí)，高、中外缸溫升率太慢，延長(zhǎng)低負(fù)荷暖機(jī)時(shí)間。 利用盤車預(yù)熱的方法，冷態(tài)啟動(dòng)，從鍋爐點(diǎn)火到滿負(fù)荷用370min，縮短了200min，節(jié)約大量燃料，盤車預(yù)熱有利于加快轉(zhuǎn)子達(dá)到或超過(guò)FATT。 影響冷脆性的因素，主要有合金元素，加載速度、晶粒度和熱處理方式等。 合金元素 加入Ni,Mn可使FATT降低，隨著C、P、Si的增加，F(xiàn)

19、ATT有明顯的升高。 加載速度 緩慢加載可降低FATT且使它的范圍擴(kuò)大曲線平緩）；快速加載不但提高FATT，且使它的范圍變小曲線變陡）。 熱處理方式熱處理方式 不同的熱處理方式得到的金相組織有差不同的熱處理方式得到的金相組織有差別。不同的冷卻方式對(duì)別。不同的冷卻方式對(duì)影響不同。具體有影響不同。具體有下列結(jié)果：隨爐冷卻下列結(jié)果：隨爐冷卻空氣冷卻空氣冷卻油冷卻油冷卻水冷卻，隨著硬度的增加，塑性水冷卻，隨著硬度的增加，塑性變變差。差。 晶粒大小晶粒大小 細(xì)晶粒鋼比粗晶粒鋼具有較高的沖擊韌細(xì)晶粒鋼比粗晶粒鋼具有較高的沖擊韌性。性。 2.蘭脆性蘭脆性 鋼材在鋼材在200dec300dec范圍內(nèi)，鋼材強(qiáng)度

20、范圍內(nèi)，鋼材強(qiáng)度升高而塑性降低的現(xiàn)象稱蘭脆性。由于，在此升高而塑性降低的現(xiàn)象稱蘭脆性。由于，在此溫度范圍內(nèi)，金屬表面銹膜呈蘭色。溫度范圍內(nèi)，金屬表面銹膜呈蘭色。3.熱脆性熱脆性 長(zhǎng)期處于長(zhǎng)期處于400500之間的鋼材、冷卻到常之間的鋼材、冷卻到常溫時(shí)，沖擊強(qiáng)度明顯降低，具體可降低溫時(shí)，沖擊強(qiáng)度明顯降低，具體可降低5060，甚至更高，幾乎所有的鋼材都具有若脆，甚至更高，幾乎所有的鋼材都具有若脆性，低合金鎳鉻鋼、錳鋼最易產(chǎn)生熱脆性，另性，低合金鎳鉻鋼、錳鋼最易產(chǎn)生熱脆性，另外，鋼材的缺陷，不論宏觀，還是微觀氣孔、外，鋼材的缺陷，不論宏觀，還是微觀氣孔、劃痕、夾雜），都會(huì)造成金屬熱脆性。劃痕、夾雜）

21、，都會(huì)造成金屬熱脆性。 2-6 熱應(yīng)力 一、一、 熱應(yīng)力的基本概念熱應(yīng)力的基本概念 在熱力機(jī)械中，由于溫度變化引起受熱在熱力機(jī)械中，由于溫度變化引起受熱零件的變形包括膨脹和收縮），這種變零件的變形包括膨脹和收縮），這種變形統(tǒng)稱為熱變形。如果這種熱變形受到約形統(tǒng)稱為熱變形。如果這種熱變形受到約束，則在物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力稱束，則在物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為熱應(yīng)力，又稱溫度應(yīng)力。為熱應(yīng)力，又稱溫度應(yīng)力。 當(dāng)溫度變化時(shí)，如果物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度當(dāng)溫度變化時(shí)，如果物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布是均勻的，且它的變形不受約束分布是均勻的，且它的變形不受約束 ( 即即可以自由膨脹或收縮可以自由膨脹或收縮 ),

22、這時(shí)物體即使有熱這時(shí)物體即使有熱變形，也不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。變形，也不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。 對(duì)均質(zhì)物體進(jìn)行加熱或冷卻時(shí)，如果物對(duì)均質(zhì)物體進(jìn)行加熱或冷卻時(shí)，如果物體內(nèi)的溫度不是均勻分布，沿物體溫度梯體內(nèi)的溫度不是均勻分布，沿物體溫度梯度方向按直線或拋物線規(guī)律變化，這時(shí)，度方向按直線或拋物線規(guī)律變化，這時(shí)，即使物體兩端沒有約束，由于物體內(nèi)各部即使物體兩端沒有約束，由于物體內(nèi)各部分纖維之間的膨脹或收縮不相等，物體各分纖維之間的膨脹或收縮不相等，物體各部分同樣會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。此時(shí)，高溫區(qū)為部分同樣會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。此時(shí)，高溫區(qū)為壓縮熱應(yīng)力，低溫區(qū)為拉伸熱應(yīng)力。壓縮熱應(yīng)力，低溫區(qū)為拉伸熱應(yīng)力。 對(duì)于不均質(zhì)物體或者由各種

23、不同線膨脹對(duì)于不均質(zhì)物體或者由各種不同線膨脹系數(shù)的幾種材料組合成的物體，即使整個(gè)系數(shù)的幾種材料組合成的物體，即使整個(gè)物體內(nèi)溫度分布是均勻的，物體內(nèi)部同樣物體內(nèi)溫度分布是均勻的，物體內(nèi)部同樣會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。 總之，當(dāng)物體內(nèi)溫度變化時(shí)，由于總之，當(dāng)物體內(nèi)溫度變化時(shí)，由于受其它不能自由伸縮的物體的約束或受其它不能自由伸縮的物體的約束或者受到物體內(nèi)部彼此間的約束而產(chǎn)生者受到物體內(nèi)部彼此間的約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力。 由此可知，引起熱應(yīng)力的根本原因由此可知，引起熱應(yīng)力的根本原因是在溫度變化時(shí)物體變形受到約束所是在溫度變化時(shí)物體變形受到約束所致。致。 而產(chǎn)生熱應(yīng)力的約束條件大致可以歸而產(chǎn)生熱應(yīng)

24、力的約束條件大致可以歸納為外部變性的約束、相互變形的約納為外部變性的約束、相互變形的約束、內(nèi)部各區(qū)域之間變形的約束三種。束、內(nèi)部各區(qū)域之間變形的約束三種。 2-7 火電廠高溫金屬常見的事故 一、鍋爐管道爆管一、鍋爐管道爆管 鍋爐受熱面管子是在高溫、應(yīng)力及腐蝕介鍋爐受熱面管子是在高溫、應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)作用下長(zhǎng)期工作的。在運(yùn)行中，當(dāng)管子質(zhì)作用下長(zhǎng)期工作的。在運(yùn)行中，當(dāng)管子材料不能抵抗其承受的負(fù)荷時(shí)，就會(huì)發(fā)生材料不能抵抗其承受的負(fù)荷時(shí)，就會(huì)發(fā)生不同形式的損壞而造成事故。不同形式的損壞而造成事故?；鹆Πl(fā)電廠中鍋爐受熱面管子常見事故火力發(fā)電廠中鍋爐受熱面管子常見事故主要有以下幾種類型：長(zhǎng)時(shí)間超溫爆管、主要

25、有以下幾種類型：長(zhǎng)時(shí)間超溫爆管、 短時(shí)超溫爆管、材質(zhì)不良爆管及腐蝕性熱短時(shí)超溫爆管、材質(zhì)不良爆管及腐蝕性熱疲勞裂紋損壞。疲勞裂紋損壞。 1. 超溫爆管 鍋爐受熱面管子在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。在規(guī)定限度內(nèi)少量的蠕變變形是允許的，對(duì)于正常運(yùn)行影響不大。如果運(yùn)行中由于某些原因使管壁的溫度超過(guò)了額定溫度，將使蠕變速度加快，持久強(qiáng)度降低，從而使管子達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而提早爆破損壞。這種由于蠕變而發(fā)生的損壞稱為長(zhǎng)時(shí)間超溫爆管或一般性蠕變損壞。 長(zhǎng)時(shí)間超溫爆管一般發(fā)生在過(guò)熱器管上，特別是高溫過(guò)熱器出口段的外圈向火側(cè)。 鍋爐受熱面管子在運(yùn)行過(guò)程中，由于冷卻鍋爐受熱面管子在運(yùn)行過(guò)程中，由于冷卻條件的惡化等原因，

26、使部分管壁溫度在短條件的惡化等原因，使部分管壁溫度在短時(shí)間內(nèi)突然上升，以致達(dá)到鋼的臨界點(diǎn)以時(shí)間內(nèi)突然上升，以致達(dá)到鋼的臨界點(diǎn)以上的溫度。在這樣高的溫度下鋼的抗拉強(qiáng)上的溫度。在這樣高的溫度下鋼的抗拉強(qiáng)度急劇下降，管子發(fā)生大量塑性變形，管度急劇下降，管子發(fā)生大量塑性變形，管徑脹粗，管壁減薄，隨后產(chǎn)生剪切斷裂而徑脹粗，管壁減薄，隨后產(chǎn)生剪切斷裂而爆破，這種損壞稱為短時(shí)超溫爆管。短時(shí)爆破，這種損壞稱為短時(shí)超溫爆管。短時(shí)超溫爆管具有撕裂狀韌性斷口特征。短時(shí)超溫爆管具有撕裂狀韌性斷口特征。短時(shí)超溫爆管大多發(fā)生在水冷壁管熱負(fù)荷最高超溫爆管大多發(fā)生在水冷壁管熱負(fù)荷最高處。處。高過(guò)爆口圖片 (長(zhǎng)期超溫）后屏爆口

27、圖片 8號(hào)爐高溫過(guò)熱器爆管示意圖 爆管位置圖示 首爆管實(shí)物照 爆管示意圖：（圖中紅色部分為爆管部位，蘭色部分為管壁減薄部位） 2. 材質(zhì)不良引起的爆管材質(zhì)不良引起的爆管 材質(zhì)不良爆管是指錯(cuò)用鋼材或使用了有材質(zhì)不良爆管是指錯(cuò)用鋼材或使用了有缺陷的鋼材造成管子提早損壞。錯(cuò)用鋼材缺陷的鋼材造成管子提早損壞。錯(cuò)用鋼材往往是指把性能比較低的鋼用到高參數(shù)的往往是指把性能比較低的鋼用到高參數(shù)的工況下，實(shí)際上是一種超溫運(yùn)行。例如某工況下，實(shí)際上是一種超溫運(yùn)行。例如某高壓鍋爐高壓鍋爐級(jí)減溫器，因錯(cuò)用級(jí)減溫器，因錯(cuò)用 20 號(hào)鋼，晶號(hào)鋼，晶界有蠕變裂紋。界有蠕變裂紋。 3腐蝕性熱疲勞裂紋損壞腐蝕性熱疲勞裂紋損壞

28、鍋爐受熱面管子的汽水分層，省煤器管鍋爐受熱面管子的汽水分層，省煤器管子堵塞，過(guò)熱汽管帶水，減溫減壓閥門間子堵塞，過(guò)熱汽管帶水，減溫減壓閥門間隙性開啟，都會(huì)引起溫度的波動(dòng)，造成交隙性開啟，都會(huì)引起溫度的波動(dòng)，造成交變熱應(yīng)力，產(chǎn)生熱疲勞裂紋。又因?yàn)檫@些變熱應(yīng)力，產(chǎn)生熱疲勞裂紋。又因?yàn)檫@些管子是處于腐蝕性介質(zhì)的作用下，疲勞裂管子是處于腐蝕性介質(zhì)的作用下，疲勞裂紋特別容易產(chǎn)生在腐蝕速度較大的缺口區(qū)紋特別容易產(chǎn)生在腐蝕速度較大的缺口區(qū)域如表面粗糙、劃痕、腐蝕坑等），所域如表面粗糙、劃痕、腐蝕坑等），所以稱為腐蝕熱疲勞損壞。以稱為腐蝕熱疲勞損壞。水冷壁爆口形貌及尺寸 吹灰器吹傷水冷壁形貌 標(biāo)高18米第13

29、0根管爆口實(shí)物照片 二、汽輪機(jī)葉片的損壞二、汽輪機(jī)葉片的損壞火力發(fā)電廠中由于汽輪機(jī)葉片斷裂而造火力發(fā)電廠中由于汽輪機(jī)葉片斷裂而造成的事故比較常見。因此分析葉片斷裂原成的事故比較常見。因此分析葉片斷裂原因，采取防止斷裂的措施，從而延長(zhǎng)葉片因，采取防止斷裂的措施，從而延長(zhǎng)葉片使用壽命，對(duì)于提高電廠熱力設(shè)備的效率使用壽命，對(duì)于提高電廠熱力設(shè)備的效率具有重要的意義。具有重要的意義。綜合現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的葉片斷裂事故，按照葉綜合現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的葉片斷裂事故，按照葉片斷裂的性質(zhì)，可以分為短期超載疲勞損片斷裂的性質(zhì)，可以分為短期超載疲勞損壞、長(zhǎng)期疲勞損壞、高溫疲勞損壞、應(yīng)力壞、長(zhǎng)期疲勞損壞、高溫疲勞損壞、應(yīng)力腐蝕損壞、腐

30、蝕疲勞損壞、接觸疲勞損壞腐蝕損壞、腐蝕疲勞損壞、接觸疲勞損壞等六類。等六類。 1. 短期超載疲勞損壞短期超載疲勞損壞是指葉片在運(yùn)行過(guò)程中，受到外界較大的應(yīng)力，或是較大的激振力，導(dǎo)致葉片經(jīng)受振動(dòng)次數(shù)低于 次就發(fā)生斷裂的一種機(jī)械疲勞損壞。 防止短期疲勞損壞的主要方法是設(shè)法消除低頻共振和防止水沖擊的發(fā)生。 710810 2. 長(zhǎng)期疲勞損壞長(zhǎng)期疲勞損壞是指葉片在運(yùn)行過(guò)程中，承受低于葉片原始疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)大于 次所發(fā)生的一種機(jī)械疲勞損壞。例如，葉片表面有缺陷如夾雜、腐蝕點(diǎn)坑、劃痕等），使葉片局部產(chǎn)生應(yīng)力集中而提早發(fā)生疲勞損壞；由于運(yùn)行不正常，如低周波動(dòng)、超負(fù)荷運(yùn)行、低負(fù)荷運(yùn)行等，使葉片某

31、些級(jí)的應(yīng)力升高，導(dǎo)致提早損壞。長(zhǎng)期疲勞損壞在電廠葉片事故中最為常見。710710710 防止長(zhǎng)期疲勞損壞的主要措施是；消除防止長(zhǎng)期疲勞損壞的主要措施是；消除共振，提高葉片制造質(zhì)量和安裝質(zhì)量，共振，提高葉片制造質(zhì)量和安裝質(zhì)量， 改改善運(yùn)行條件。消除諸如低周波、超負(fù)荷、善運(yùn)行條件。消除諸如低周波、超負(fù)荷、低負(fù)荷、腐蝕和水沖擊等不合理的運(yùn)行工低負(fù)荷、腐蝕和水沖擊等不合理的運(yùn)行工況，都是延長(zhǎng)葉片壽命的重要途徑。況，都是延長(zhǎng)葉片壽命的重要途徑。 3. 高溫疲勞損壞狹義的高溫疲勞是指在材料再結(jié)晶溫度以上所產(chǎn)生的疲勞，廣義的高溫疲勞是指高于常溫所產(chǎn)生的疲勞現(xiàn)象。葉片的工作溫度通常低于再結(jié)晶溫度，如果葉片的損

32、壞特征具有如下現(xiàn)象，即稱為高溫疲勞損壞。 蠕變和疲勞共同作用所形成的高溫疲勞是介于由靜應(yīng)力產(chǎn)生的蠕變和動(dòng)應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞之間的一種損壞形式。在裂紋源部位，蠕變現(xiàn)象明顯，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，尤其是快速擴(kuò)展區(qū)，斷裂的性質(zhì)是持久斷裂和疲勞斷裂的組合。這種高溫疲勞往往伴隨著組織的變化。 葉片的高溫疲勞發(fā)生在高溫高壓汽輪葉片的高溫疲勞發(fā)生在高溫高壓汽輪機(jī)的高壓缸、中間再熱式汽輪機(jī)中壓缸的機(jī)的高壓缸、中間再熱式汽輪機(jī)中壓缸的前幾級(jí)以及中壓汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)級(jí)。前幾級(jí)以及中壓汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)級(jí)。 防止葉片產(chǎn)生高溫疲勞損壞的主要措施防止葉片產(chǎn)生高溫疲勞損壞的主要措施有：防止共振，防止葉片與葉片之間，有：防止共振，防止葉片與

33、葉片之間， 葉葉片與葉輪之間的摩擦，降低介質(zhì)含氧量和片與葉輪之間的摩擦，降低介質(zhì)含氧量和提高葉片材料的高溫強(qiáng)度。提高葉片材料的高溫強(qiáng)度。 4. 4. 應(yīng)力腐蝕損壞應(yīng)力腐蝕損壞 葉片產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要原因是材質(zhì)問(wèn)葉片產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要原因是材質(zhì)問(wèn)題。首先是在晶界析出碳化物，造成貧鉻題。首先是在晶界析出碳化物，造成貧鉻區(qū)，使晶界受到腐蝕，其次是存在應(yīng)力。區(qū)，使晶界受到腐蝕，其次是存在應(yīng)力。應(yīng)力腐蝕主要發(fā)生在應(yīng)力腐蝕主要發(fā)生在 2Cr13 2Cr13 鋼制造的末級(jí)鋼制造的末級(jí)葉片上。葉片上。 防止應(yīng)力腐蝕的措施主要是改善材質(zhì)，防止應(yīng)力腐蝕的措施主要是改善材質(zhì)，消除應(yīng)力，改善蒸汽品質(zhì)，避免葉片產(chǎn)生消除

34、應(yīng)力，改善蒸汽品質(zhì)，避免葉片產(chǎn)生共振。共振。 5. 腐蝕疲勞損壞腐蝕疲勞損壞 腐蝕疲勞是葉片在腐蝕介質(zhì)里受交變應(yīng)力腐蝕疲勞是葉片在腐蝕介質(zhì)里受交變應(yīng)力作用而產(chǎn)生的疲勞損壞。其特征介于機(jī)械作用而產(chǎn)生的疲勞損壞。其特征介于機(jī)械疲勞和應(yīng)力腐蝕之間。當(dāng)裂紋發(fā)展速度快疲勞和應(yīng)力腐蝕之間。當(dāng)裂紋發(fā)展速度快時(shí)，以機(jī)械疲勞為主，裂紋為穿晶型，斷時(shí)，以機(jī)械疲勞為主，裂紋為穿晶型，斷口的宏觀形貌為貝殼花樣，顯微形貌具有口的宏觀形貌為貝殼花樣，顯微形貌具有條紋花樣；當(dāng)裂紋發(fā)展速度慢時(shí)，以應(yīng)力條紋花樣；當(dāng)裂紋發(fā)展速度慢時(shí)，以應(yīng)力腐蝕為主。腐蝕為主。 6 6接觸疲勞損壞接觸疲勞損壞 接觸疲勞損壞是由于存在某種振型的振動(dòng)，使接觸疲勞損壞是由于存在某種振型的振動(dòng)，使相鄰的葉片之間或葉片與葉輪之間產(chǎn)生往復(fù)的微相鄰的葉片之間或葉片與葉輪之間產(chǎn)生往復(fù)的微量位移，相互接觸摩擦的一種機(jī)械疲勞損壞。接量位移，相互接觸摩擦的一種機(jī)械疲勞損壞。接觸應(yīng)力往往是由于根齒設(shè)計(jì)不合理，或是安裝不觸應(yīng)力往往是由于根齒設(shè)計(jì)不合理，或是安裝不良所產(chǎn)生的。葉根的接觸面因振動(dòng)而進(jìn)行循環(huán)往良所產(chǎn)生的。葉根的接觸面因振動(dòng)而進(jìn)行循環(huán)往復(fù)摩擦，造成根部表面層材料的晶體滑移和硬化，復(fù)摩擦，造成根部表面層材料的晶體滑移和硬化，摩擦一定次數(shù)后，硬化區(qū)便會(huì)產(chǎn)生許多平行的顯摩擦一