1、鍋爐知識 -金屬材料基本知識1、 什么是變形?變形有幾種形式?構(gòu)件在外力作用下, 發(fā)生尺寸和形狀改變的現(xiàn)象, 稱為變形。 變形的基本形式有 彈性變形、永久變形(塑性變形和斷裂變形三種。構(gòu)件在外力作用下發(fā)生變形, 外力去除后能恢復(fù)原來形狀和尺寸, 材料的這一特 性稱為彈性。 這種在外力去除后能消失的變形稱為彈性變形。 若外力去除后, 只 能部分的恢復(fù)原狀,還殘留一部分不能消失的變形,材料的這一特性稱為塑性。 外力去除后不能消失而永遠殘留的變形, 稱為塑性變形或殘余變形, 也稱永久變 形。工程上, 一般要求構(gòu)件在正常工作時, 只能發(fā)生少量彈性變形, 而不能出現(xiàn)永久 變形。但對材料進行某種加工(如彎

2、曲、壓延、鍛打時,則希望它產(chǎn)生永久變 形。2、 什么是強度?什么是剛度?什么是韌性?材料或構(gòu)件承受外力時, 抵抗塑性變形或破壞的能力稱強度。 鋼材在較大外力作 用下可能不被破壞, 木材在較小外力作用下而可能會斷裂, 我們說鋼材的強度比 木材高。材料或構(gòu)件承受外力時抵抗變形的能力稱為剛度。 剛度不僅與材料種類有關(guān), 還 與構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式、 尺寸等有關(guān)。 比如管式空氣預(yù)熱器管箱與鋼管省煤器組件相 比, 前者抗變形能力要比后者好, 我們稱前者的剛度強 (好 , 后者的剛度弱 (差 。 剛度好的構(gòu)件,在外力作用下的穩(wěn)定性也好。材料抵抗沖擊載荷的能力稱為韌性或沖擊韌性, 即材料承受沖擊載荷時迅速產(chǎn)生 塑

3、性變形的性能。鍋爐承壓部件所使用的材料應(yīng)具有較好的韌性。3、 什么是塑性材料?什么是脆性材料?在外力作用下, 雖然產(chǎn)生較顯著變形而不被破壞的材料, 稱為塑性材料。 在外力 作用下,發(fā)生微小變形即被破壞的材料,稱為脆性材料。材料的塑性和韌性的重要性并不亞于強度。 塑性和韌性差的材料, 工藝性能往往 很差, 難以滿足各種加工及安裝的要求, 運行中還可能發(fā)生突然的脆性破壞。 這 種破壞往往滑事故前兆,其危險性也就更大。脆性材料抵抗沖擊載荷的能力更差。4、 什么是應(yīng)力、應(yīng)變和彈性模量?材料或構(gòu)件在單位截面上所承受的垂直作用力稱為應(yīng)力。 外力為拉力時, 所產(chǎn)生 的應(yīng)力為拉應(yīng)力; 外力為壓縮力時, 產(chǎn)生的

4、應(yīng)力為壓應(yīng)力。 在外力作用下, 單位 長度材料的伸長量或縮短量,稱為應(yīng)變量。在一定的應(yīng)力范圍(彈性形變內(nèi), 材料的應(yīng)力與應(yīng)變量成正比, 它們的比例常數(shù)稱為彈性模量或彈性系數(shù)。 對于一 定的材料, 彈性模量是常數(shù), 彈性模量越大, 在一定應(yīng)力下, 產(chǎn)生的彈性變形量 越小。 彈性模量隨溫度升高而降低。 轉(zhuǎn)動機械的軸與葉輪, 要求在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn) 生較小的變形,就需要選用彈性模量較大的材料。5、 什么叫應(yīng)力集中?由于構(gòu)件截面尺寸突然變化而引起應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象,稱為應(yīng)力集中。在等截面構(gòu)件中,應(yīng)力是均勻分布的。若構(gòu)件上有孔、溝槽、凸肩、階梯等,使 截面尺寸發(fā)生突然變化時, 在截面發(fā)生變化的部位, 應(yīng)力不

5、再是均勻分布, 在附 近小范圍內(nèi), 應(yīng)力將局部增大。 應(yīng)力集中的程度, 可用應(yīng)力集中系數(shù)來表示。 應(yīng) 力集中系數(shù)的大小, 只與構(gòu)件形狀和尺寸有關(guān), 與材料無關(guān)。 工程上常用典型構(gòu) 件的應(yīng)力集中系數(shù),已通過試驗確定。應(yīng)力集中處的局部應(yīng)力值, 有時可能很大, 會影響部件使用奉命, 是部件損壞的 重要原因之一。 為防止和減小這種不利影響, 應(yīng)盡可能避免截面尺寸發(fā)生突然變 化,構(gòu)件的外形輪廓應(yīng)平緩光滑,必要的孔、槽最好配臵在低應(yīng)力區(qū)。另外,金 屬材料內(nèi)部或焊縫有氣孔、夾渣、裂紋以及“焊不透”、“咬邊”等缺陷,也會 引起應(yīng)力集中。6、 什么是強度極限(抗拉強度與屈服極限?強度極限與屈服極限是通過試驗確定

6、的。 在拉伸試驗過程中, 應(yīng)力達到某一數(shù)值 后, 雖然不再增加甚至略有下降, 試件的應(yīng)變還在繼續(xù)增加, 并產(chǎn)生明顯的塑性 變形, 好像材料暫時失去抵抗變形的能力, 這種現(xiàn)象稱為材料的屈服。 發(fā)生屈服 現(xiàn)象時的應(yīng)力, 稱為材料的屈服極限。 當(dāng)試驗拉力繼續(xù)升高, 試件達到破壞時的 應(yīng)力, 稱為材料的強度極限或抗拉強度。 屈服極限和強度極限越大, 分別表明材 料抵抗破壞和抵抗塑性變形的能力高, 即材料強度好。 對于一定材料來說, 強度 極限和屈服極限是隨著工作溫度的升高而降低的。7、 什么是蠕變與蠕變極限?什么是持久強度與持久塑性?金屬在一定溫度和一定應(yīng)力作用下, 隨著時間的推移緩慢地發(fā)生塑性變形的

7、現(xiàn)象 稱蠕變。材料發(fā)生蠕變的溫度與其性質(zhì)有關(guān),碳鋼在 300 350時,合金鋼在 350 450時,在應(yīng)力作用下,就會出現(xiàn)蠕變。溫度越高,應(yīng)力越大,蠕變速度 就越快。材料抗蠕變的性能用蠕變極限來衡量, 它表示在一定溫度下, 于規(guī)定時間內(nèi), 鋼 材發(fā)生一定量總變形的最大應(yīng)力值。 持久強度是在高溫條件下, 經(jīng)過規(guī)定時間發(fā) 生蠕變破裂時的最大應(yīng)力。 持久塑性是指處于蠕變狀態(tài)的材料, 在發(fā)生破裂時的 相對塑性變形量。高溫材料特別是發(fā)電廠使用的管材,應(yīng)具有良好的持久塑性, 希望不低于 3% 5%。過低的持久塑性,會使材料發(fā)生脆性破壞,降低其使用奉 命。材料的蠕變極限、持久強度、持久塑性都是通過試驗方法求

8、得的。8、 什么是金屬材料的疲勞與疲勞極限?構(gòu)件在長期交變應(yīng)力作用下, 雖然它承受的應(yīng)力遠小于材料的屈服極限, 在沒有 明顯塑性變形的情況下, 發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。 因金屬疲勞發(fā)生的破 壞稱為疲勞破壞出現(xiàn)疲勞破壞的原因, 是經(jīng)過應(yīng)力多次交替變化后, 在應(yīng)力最大 或有缺陷部位會產(chǎn)生微細的裂紋, 裂紋尖端出現(xiàn)嚴重的應(yīng)力集中, 隨著交變應(yīng)力 循環(huán)次數(shù)的增加,裂紋逐漸擴大,最后導(dǎo)致破裂。材料經(jīng)受無限次變載荷而不發(fā)生斷裂時的最大應(yīng)力, 稱為材的疲勞極限。 工程上 常根據(jù)機件的使用壽命要求, 規(guī)定交變應(yīng)力循環(huán) N 次時的應(yīng)力為有限疲勞極限或 條件疲勞限。如汽輪機葉片交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N鍋爐的每一

9、次啟動和停止, 工質(zhì)運行參數(shù)的每一次波動, 承壓部件都要經(jīng)受一次 交變應(yīng)力及應(yīng)變的循環(huán), 這都將會影響承壓部件的壽命。 為了提高鋼材抵抗疲勞 破壞的能力,應(yīng)在保持材料一定強度的基礎(chǔ)上盡可能提高鋼材的塑性及韌性。 9、 什么是許用應(yīng)力與安全系統(tǒng)?構(gòu)件實際工作時, 所允許產(chǎn)生的最大應(yīng)力稱許用應(yīng)力。 對鍋爐承壓元件不定來說, 許用應(yīng)力是指在工作條件下所允許的最小壁厚及最大壓力時的應(yīng)力。構(gòu)件工作時, 其內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力既不能達到屈服極限, 更不能達到強度極限, 必 須遠小于它們才能保證安全。通常把和稱危險應(yīng)力。危險應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值 n 稱為安全系數(shù)。 N 值的大小,不僅反映構(gòu)件的安全 程度。N 值大

10、,許用應(yīng)力小,比較安全,但消耗材料多,構(gòu)件也笨重; n 值許用應(yīng)力大, 能節(jié)約材料, 但安全程度就差。 因此, 在確定安全系數(shù)時, 應(yīng)在滿足安全的前提 下,充分考慮經(jīng)濟性的要求。11什么是熱應(yīng)力?熱應(yīng)力大小如何計算?構(gòu)件因溫度化不能自由伸縮而產(chǎn)生的應(yīng)力, 或部件本身溫度不均勻使伸縮受制約 而產(chǎn)生的應(yīng)力, 稱為熱應(yīng)力。 由于熱應(yīng)力是溫度變化而產(chǎn)生的, 所以也稱溫度應(yīng) 力或溫差應(yīng)力。部件工作時, 它的尺寸將因溫度變化而伸縮。 若部件的伸縮不受任何限制, 溫度 變化只能使其變形, 而不致產(chǎn)生應(yīng)力。 若部件不能自由伸縮, 將會在其內(nèi)部產(chǎn)生 應(yīng)力。部件在受熱或冷卻時, 若各部分溫度不一致, 變形將受制約

11、。 溫度高的部分要膨 脹伸長, 溫度低的部分則限制它的膨脹, 結(jié)果在高溫部位產(chǎn)生壓應(yīng)力。 低溫部位 產(chǎn)生拉應(yīng)力。 鍋爐在啟、 停過程中, 出現(xiàn)的汽包內(nèi)外壁溫差, 將會在汽包壁內(nèi)產(chǎn) 生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力是由于溫度變化是時變形受阻而產(chǎn)生, 可根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變成正比的關(guān)系列 出計算式:12、什么是金屬的應(yīng)力松弛現(xiàn)象?鋼材在高溫和應(yīng)力作用下, 在應(yīng)變量維持不變, 應(yīng)力隨著時間的延長逐漸降低的 現(xiàn)象,稱為應(yīng)力松弛。金屬材料在高溫下發(fā)生應(yīng)力松弛, 是有一部分在初應(yīng)力作用下產(chǎn)生的彈性變形逐 漸地轉(zhuǎn)化為塑性變形的結(jié)果。 松弛現(xiàn)象與蠕變現(xiàn)象有著內(nèi)在的聯(lián)系, 都是在高溫 和應(yīng)力作用下的不斷性變形過程,兩者的區(qū)別僅在于蠕

12、變時應(yīng)力基本恒定不變, 松弛時應(yīng)力則不斷在降低。應(yīng)力松馳發(fā)生在高溫下工作的緊固件上, 如鍋爐、 汽輪機上的螺栓、 螺母、 壓緊 彈簧等。 這些零件在長期高溫和應(yīng)力作用下, 塑性變形增加, 應(yīng)力下降, 當(dāng)松弛 到一定程度后, 就會引起汽缸和閥門漏汽, 安全門提前起座, 影響機組正常運行, 甚至發(fā)生危險。 為了防止上述現(xiàn)象發(fā)生, 一般要求經(jīng)過 2×104h (兩次大修間隔 運行后,螺栓最小應(yīng)力不低于最小密封應(yīng)力,這個密封應(yīng)力通常為 150MPa (15.3kgf/mm2。為了達到這一要求,可以采取如下措施:一是選擇松弛性能 高的鋼材;一是提高螺栓的初緊應(yīng)力。13.什么是鋼材的熱疲勞與熱脆

13、性?當(dāng)金屬材料在工作過程中存在溫差時, 因部分的脹、 縮相互制約而產(chǎn)生附加熱應(yīng) 力。 如果溫差是周期變化的, 熱應(yīng)力也將隨之變化, 同時伴隨著彈、 塑性變形的 循環(huán), 塑性變形逐漸積累引起損傷, 最后導(dǎo)致破裂。 這種因經(jīng)受多次周期性熱應(yīng) 力作用而遭到的破壞稱為熱疲勞破壞。熱疲勞裂紋一般發(fā)生在金屬零件的表面, 為龜裂狀。 鍋爐的過熱器、 再熱器、 汽 包、汽輪機的汽缸、隔板,都有出現(xiàn)熱疲勞的可能性。鋼材在某一高溫區(qū)間(如 400 550和應(yīng)力作用下長期工作,會使沖擊韌性 明顯下降的現(xiàn)象稱為熱脆性。 影響熱脆性的主要因素是金屬的化學(xué)成分。 含有鉻、 錳、鎳等元素的鋼材,熱脆性傾向較大。加入鉬、鎢、

14、釩等元素,可降低鋼材的 熱脆性傾向。14、什么是鋼材的高溫氧化?鍋爐某些高溫元件 (如過熱器、 再熱器管及其支吊架等 與高溫?zé)煔庵械难鯕獍l(fā) 生的氧化反應(yīng), 稱高溫氧化。 氧化生成的氧化膜如果不能緊緊地包覆在鋼材表面 而發(fā)生脫落,則氧化過程會不斷發(fā)展,層層剝落,最后導(dǎo)致破壞。高溫氧化可生成三種氧化物:FeO,Fe 2O 3,Fe 3O 4。當(dāng)壁溫在 570以下時,氧化膜 由 Fe 2O 3,Fe 3O 4組成;當(dāng)溫度高于 570時,氧化膜由 FeO,Fe 2O 3,Fe 3O 4組成。 Fe 2O 3,Fe 3O 4具有致密的結(jié)構(gòu),能保護金屬表面,有較好的抗氧化化。而 FeO 的抗 氧化能力很差

15、,因此,在溫度高于 500時,高溫氧化過程就有加快的趨勢。 鋼材工作溫度高于 570,就需要考慮抗氧化性問題。在鋼中加入鉻元素,生成 的氧化膜具有良好的保護作用,是提高鋼材抗高溫氧化性能的主要手段。15.在高溫下金屬組織可能發(fā)生哪些變化?有何危害?常溫下鋼材的金相組織是穩(wěn)定的, 不隨時間而改變。 但若在高溫下長期工作, 其 金相組織則會不斷發(fā)生變化,使其性能變差,嚴重時會導(dǎo)致破裂損壞。(1珠光體球化鋼材中片狀滲碳體逐漸轉(zhuǎn)化為球狀,并積聚長大的現(xiàn)象稱珠光 體球化。 珠光體球化使鋼材高溫性能下降, 加速蠕變過程, 嚴重球化時, 常引起爆管 事故。影響球化過程的因素是溫度、時間和化學(xué)萬分,在鋼中加入鉻、鉬、釩等 合金元素,能降低球化過程的速度。(2石墨化石墨化是鋼中滲碳體在長期高溫下工