1、特种设备检测中金属材料分析的应用湖南省特种设备检验检测研究院1特种设备检测中金属材料分析的应用 在特种设备检验检测过程中，尤其是锅炉、压力容器、压力管道的检验最重要的内容是对其的整体和局部进行一系列检测和试验，这些检测和试验的内容包括：宏观检查、几何尺寸测量、测厚、耐压试验、气密试验等，还有金属材料分析方面的内容，包括：金相试验、硬度试验（现场硬度测定）、化学元素分析、力学性能试验、无损检测等。在检验检测的过程中，需要针对设备状况、现场条件、可能产生缺陷的性质来正确地选择检测项目和方法，综合各种的检测和试验结果，最终对锅炉、压力容器、压力管道等特种设备的安全性能作出全面、准确的评价。2主要内容
2、 一.介绍金属学基础知识 二.特种设备检测常用理化试验方法 三.金属部件主要失效形式3一、金属学及热处理基本知识 金属学基本概念 金属学就是研究金属和合金的性能与它们内部结构之间的关系，以及影响金属与合金组织和性能的因素的一门科学。铁的几种基本固态相 铁、铁、铁、铁。时间无磁有磁纯铁的冷却曲线4 金属材料的塑性变形及再结晶 加工硬化：金属在塑性变形后，金属的强度和硬度会升高，塑性和 韧性会降低，这种现象称为加工硬化（或冷作硬化）。再结晶过程：当温度升高时，变形金属的冷变形组织（被拉长的晶 粒）逐渐回复到原来的晶粒形状，金属性能恢复到原来 的性能的过程称为再结晶过程。钢中的几种基本组织 铁素体：
3、碳和其它合金元素在 铁中的固溶体称为铁素体。以F表 示。渗碳体：渗碳体是铁和碳的化合物，或以化合物为基体的固溶体，以Fe3C表示。5 奥氏体：奥氏体是碳和其它元素在铁（面心立方晶格）中的固 溶体，以A表示。珠光体：珠光体是铁素体和渗碳体以彼此相间片层状排列的机械 混合物，以P表示。索氏体：索氏体即是片层较细的珠光体，以S表示。屈氏体（或托氏体）：屈氏体（或托氏体）即是片层极细的珠光 体，以T表示。贝氏体：贝氏体是铁素体和渗碳体的机械混合物，按照组织形式 和形成温度不同，分为上贝氏体和下贝氏体。上贝氏体 中铁素体呈羽毛状，羽毛之间分布有片装和棒状的渗碳 体。下贝氏体为针状的铁素体上分布有大量的渗
4、碳体。贝氏体中的铁素体含有较多的（或过饱和的）碳，以B表 示。马氏体：碳在铁素体中的过饱和固溶体，以M表示。6 钢的热处理 正火:即是将钢加热到Ac3 以上3050，在此温度停留一段时间 后，将钢在静止空气中冷却的一种操作。正火目的：、细化晶粒，改善钢的力学性能，并可作为某些钢 （如20G锅炉管）的最终热处理。、改善组织，以改善切削加工性能，并为淬火做组 织准备。淬火：即是把钢加热到临界点（Ac3 或Ac1）以上某一温度，并在 此温度停留一段时间后，迅速冷却，以得到不稳定状态组 织的一种操作。钢在淬火后一般得到的是马氏体组织，但 对高合金奥氏体钢则淬火后为奥氏体组织。奥氏体钢淬火 也被称为固溶
5、处理或水韧处理。淬火目的：提高钢的强度和硬度。7 回火：即是将淬火后的钢加热到低于Ac1的温度，在此温度停留 一段时间后冷却的一种操作。回火目的：、得到较为稳定的组织。、减小或完全消除钢淬火后存在于钢中的应力，降 低淬火钢的脆性，得到工件所需要的最后的性能。常见的回火类型：、低温回火 回火温度为150250。目的：消除工件中的部分内应力，稍稍提高韧性，但仍使工 件保持着高的淬火硬度。适用范围：高碳钢和合金钢制造的刀具、量具等。、中温回火 回火温度为350480。8 目的：使钢具有较高的弹性和韧性。适用范围：常用于弹簧和热冲模。、高温回火 回火温度为450670（对碳钢或低合金钢）或更高温度 （
6、对中、高合金钢）。目的：完全消除内应力，回火后有足够的强度和良好的韧性。适用范围：广泛用于电站主蒸汽管道焊口的焊后热处理以及 结构钢的最终热处理。退火：钢的退火可分为再结晶退火和退火两种。再结晶退火：即是将冷加工后的工件加热到Ac1以下温度，使冷加 工后的不稳定的变形组织变为稳定的组织状态。这 种退火没有相变发生。9 常见的退火类型：、完全退火 完全退火是将钢加热到Ac3以上，使钢全部变成奥氏体的工 艺。目的：细化晶粒，改善钢的力学性能或为淬火作组织准备；降低钢的硬度以利于加工；消除内应力。适用范围：亚共析钢和共析钢组织的碳钢及合金钢铸件和锻 件。如汽轮机气缸25钢铸件在铸造后即采用完全 退火
7、。、不完全退火 不完全退火与完全退火不同，其加热温度较低，为Ac1 （2030 ），在此温度加热保温后缓慢冷却。10 目的：降低钢的硬度，改善切削性能，并为淬火作组织准备。适用范围：主要用于过共析钢、合金工具钢及轴承钢。这些 钢均是含碳量较高的钢，在不完全退火的加热温 度下，其组织为奥氏体加二次渗碳体（对合金钢 为碳化物）。之所以不采用完全退火工艺的原因 在于，如采用完全退火，钢中所有含碳量均会溶 于奥氏体中，导致奥氏体含碳量的含碳量提高，稳定性加大。如要获得均匀的退火组织，其冷却 速度必须很慢。这样将大为延长退火时间，对生 产不利。另外，对这些钢采用不完全退火，可使 二次渗碳体易于成为球状，
8、对降低钢的硬度并为 淬火组织准备更为有利。11 、扩散退火 扩散退火即是将钢加热到 很高的温度，通常为 Ac3以上 200 左右，保温较长时间，然后缓慢冷却。目的：使钢的成分均匀。适用范围：高合金钢锭或铸件。、等温退火 等温退火即是把钢加热到临界点以上温度，使其转变为奥 氏体，并保温一段时间使奥氏体均匀后，冷却到预定温度，并在该温度下保温一段时间，使奥氏体等温分解成珠光体 的热处理工艺。等温退火的加热温度与完全退火的加热温度一样。二者不 同之处在于冷却方式。这种退火方式可以说是完全退火的 特殊形式。12 目的：组织均匀，硬度较低。适用范围：合金钢。、球化退火 球化退火即是将钢按照完全退火的加热
9、速度加热到Ac1 （2030 ），保温后，再按照每小时2050 的速度降至 该钢Ar1以下一个温度，并在这个温度保温较长时间，最后 随炉冷至450500 左右出炉，再在空气中冷却的工艺。通过这种退火后，珠光体中的渗碳体及钢中的二次渗碳体均 为球状，故称为球化退火。目的：降低硬度，以便于加工，并使钢中的渗碳体变为球 状，以为淬火作好组织准备。13二、金属在高温长期运行过程中的变化 金属的蠕变 金属在高温下，即使其所受的应力低于金属在该温度的屈服点，在这样的应力长期作用下，也会发生缓慢的但是连续的塑性变形，这样的一种现象称为蠕变现象，所发生的变形称为蠕变变形（或 蠕胀）。金属的蠕变曲线 蠕变现象通
10、常用画在“变形时间”坐标上的曲线来表示，这种曲线称为蠕变曲线。尽管不同的金属和合金在不同条件下所得到的蠕变曲线不尽相同，但它们都有一定的共同特征，把这些共同特征表示出来的蠕变曲线就叫做典型蠕变曲线。典型蠕变曲线见附图，它描述在恒定温度、恒定拉应力下金属的变形随时间的变化规律。14变形量常数常数3210123时间典型蠕变曲线15 金属在高温长期运行过程中组织的变化 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，而且还会发生一些组织和性能的变化。锅炉、汽轮机高温部件所用钢材在高温长期运行过程中发生的组织性能变化主要有：珠光体的球化和碳化物的聚集；石墨化（仅限于
11、不含铬的珠光体耐热钢）；时效和新相的形成（如不锈钢中 相的形成等）；热脆性；合金元素在固溶体中和碳化物相之间的重新分配。等等。16 珠光体的球化和碳化物的聚集 这是所有珠光体耐热钢最常见的组织变化。珠光体球化是指钢中原来的珠光体中的片层状渗碳体（在合金钢中称合金渗碳体或碳化物）在高温下长期运行，逐步改变自己的形状而成为球状的现象。球化后的碳化物继续增大自己的尺寸，使小直径的球变成大直径的球，这就是碳化物的聚集。珠光体的球化对钢的性能的影响 一般来说，珠光体球化对钢的室温力学性能和耐热性均有一定程度的影响，对于不同的钢，其影响程度不一。、珠光体球化会使钢的室温强度极限和屈服点降低。、珠光体球化会
12、使钢的蠕变极限和持久强度降低。17 石墨化 石墨化就是钢中的渗碳体分解成为游离碳并以石墨形式析出，在钢中形成石墨夹层的现象。碳钢和0.5Mo钢等不含铬的珠光体耐热钢在高温长期运行过程中会产生石墨化的现象。石墨化对钢的性能的影响 当钢中产生石墨化现象时，由于碳从渗碳体中析出成为石墨，钢中渗碳体数量减少；另外，石墨在钢中割裂基体，起裂纹作用，而石墨本身强度又极低，因此，石墨化对钢的强度有所影响。另外，由于钢的室温冲击性能也有一定的影响。18 时效和新相的形成 耐热钢或耐热合金的时效过程是指它们在长期运行过程中，随着运行时间的推移而从组织中过饱和固溶体内析出一些强化相质点而使金属的性能随时间发生变化
13、的现象。当耐热钢和耐热合金中的固溶体由于热处理时从高温冷却较快或别的原因，使固溶于其中的合金元素来不及析出时，就形成不稳定的过饱和固溶体。在以后的运行中就会发生时效。时效可分为三个阶段。第一阶段是时效过程在金属晶格内的准备阶段，它仅有一些物理性能如电阻等的变化，在此阶段钢和合金的强度和硬度几乎不发生变化；第二阶段在组织上析出了分散的强化相质点，使钢的强度、硬度和蠕变极限提高，并使塑性、韧性降低；在时效的第三阶段，是这些析出的分散相的聚集。由于这些细小的、分散的质点聚集成大的质点，因而强化作用消失，强度、硬度降低，同时，蠕变极限和持久强度也显著降低。时效过程也就是新相形成的过程，因为析出的分散相
14、也就是在金属中形成的新相。19 合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配 钢在高温长期作用下，不但会发生珠光体球化、石墨化、时效等，钢中合金元素还会发生在固溶体和碳化物相之间的重新分配过程。这一过程的发生是由于在高温下合金元素原子活动能力的增加而产生的转移过程。目前，火力发电厂用的最多的是珠光体耐热钢和马氏体耐热钢。在这些钢中，归根到底只有两种相：固溶体和碳化物。钢中的合金元素不是存在于固溶体中，就是存在于碳化物中。当形成固溶体时，合金元素的原子是要溶入到铁的晶格中去的。合金元素的原子直径是与铁原子的直径不同的，因而形成固溶体时要产生晶格畸变，有畸变的晶格是不稳定的。因此，在高温长期作用下，只
15、要温度水平能使合金元素原子有充分的活动能力，它就力求从固溶体中出来转移到较为稳定的碳化物中去。这种过程也叫做固溶体的贫化。固溶体的贫化会使钢的强度、蠕变极限和持久强度下降。20 合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配过程包括两个方面：一为固溶体、碳化物中合金含量的变化（即称为碳化物成分的变化），二为运行过程中同时发生的碳化物结构类型、数量 和发布形式的变化。21三、金属力学性能试验基本知识 金属材料的力学性能是金属材料在外力作用下表现出来的特性，如弹性、强度、硬度、韧性、塑性等。不同的受力条件会使金属材料表现出不同的特性，如静力拉伸力作用下金属材料的强度和塑性特性，动力负荷即冲击负荷下金属材
16、料所表现出来的韧性特性指标等。静力试验下的力学性能 静力试验的意义是，向试样上加力（负荷、载荷）的速度是缓慢而均匀的，或者是以固定不变的力加在试样上并保持很长的时间。显然，在静力试验时，试样的变形速度不大。拉伸试验 在拉伸试验时，可以得到以下力学性能的指标：22 、抵抗微小的塑性变形的能力 这种性能常常用屈服点ReL来说明。、抵抗大的塑性变形的能力 这种性能常常用强度极限Rm来说明。、塑性 试样在断裂时的塑性变形的大小，这种性能常常用延伸率A和断面收缩率Z来说明。拉伸曲线 在对金属拉伸试样进行拉伸试验时，可以得到一条画在负荷伸长量坐标上的曲线，这就是拉伸曲线。图中负荷与伸长量之间能保持直线关系
17、的最大负荷称为比例极限负荷Pp；金属能保持虎克定律的最大负荷称为弹性极限负荷Pe（比例极限负荷和弹性极限负荷在位置上非常接近）；Ps称为屈服负荷，金属在这个负荷下开始屈服（即不增加负荷，变形也能自动增加）；PB称为最大负荷;PZ称为断裂负荷。23载荷伸长PpPePsPBPZl塑性l弹性l全部拉伸曲线24 拉伸试验时的力学性能指标：、比例极限p 是指应力和相对伸长成正比例的最大应力。、弹性极限e 是指在不产生永久塑性变形的前提下，金属材料所能承受 的最大应力。在工程上规定，弹性极限是使试样产生0.001 0.05%永久变形的应力。、屈服点s 是指不增加负荷而使试样变形增加的最小应力。有时，在低碳
18、钢做拉伸试验时，在拉伸曲线上屈服时会出 现负荷作锯齿状的一段台阶，可分别用上屈服点和下屈服 点表示。如不特别指明，应认为上屈服点是屈服点。很多的金属或合金，在拉伸曲线上无明显的屈服平台。在 工程上规定，一般将使试样产生0.2%永久变形的应力作为 屈服点，以0.2表示。25 、强度极限b 试验断裂前最大负荷与原始截面积之比。、真实抗断抗力Z 试验拉断时的负荷与拉断时的试样最小截面积之比。、延伸率 试样拉断后的伸长量与原始计算长度之比。、断面收缩率 试样拉断后的截面积最大收缩量与原始截面积之比。26 硬度 所谓金属的硬度是指金属抵抗其它比较坚硬物体压入的能力。这种坚硬的压入物通常是不发生变形的。按
19、照试验时所用方法的不同，可将硬度测定方法分为：压入法：试验金属对塑性变形的抵抗能力；划痕法：试验金属对于阻碍断裂的抵抗能力；弹性回跳法：试验金属对弹性变形的抵抗能力。27 动力试验下的力学性能 冲击韧性 冲击韧性表示金属材料对冲击负荷的抵抗能力，它是衡量材料韧性的指标。可以认为，冲击韧性是综合性地概括了材料的塑性性能和强度性能。冲击韧性ak等于撞断带缺口的标准方形截面试样 在其单位面积上所消耗的功。28 二二 特种设备检验常用理化试验方法特种设备检验常用理化试验方法 1.常用硬度试验方法（1）布氏硬度 HB 布氏硬度试验方法是把规定直径的淬火钢球（或硬质合金球）以一定的试验力F压入所测材料表面
20、,保持规定时间后,测量表面压痕直径d，由d计算出压痕表面积A，布氏硬度值 HB=F/A。布氏硬度试验方法主要用于硬度较低的一些材料，例如经退火，正火，调质处理的钢材，以及铸铁，非铁金属等。布氏硬度压痕较大，对薄工件或精密制成品表面，这种损伤可能是不允许的，但对压力容器表面则没有什么妨碍。压痕大的一个优点是消除微观组织不均匀造成的影响，测试数据离散性小，测试结果是受压区域的平均值，比较可靠。布氏硬度试验机型式有台式和便携式两种。台式试验机精度高。便携式锤击布氏硬度计价格低、体积不大、可携带至现场使用，由于是人工操作，检测速度较慢。29（2）洛氏硬度）洛氏硬度 HR 洛氏硬度是采用测量压痕深度来确
21、定硬度值的试验方法。洛氏硬度试验适用范围广，操作简便迅速，而且压痕较小，故在钢铁热处理质量检查中应用最多。洛氏硬度试验在室内试验机上进行，无法在现场使用。由于压痕小，当材料组织不均匀时，测得的数值起伏大，缺乏代表性。（3）维氏硬度维氏硬度HV 维氏硬度主要用于测量金属的表面硬度。它采用正棱角锥体金刚石压头，在一定试验力下在试件表面压出正方形压痕，测量压痕两对角线平均长度来确定硬度值。维氏硬度适用的硬度范围宽，试验的压痕非常小，可以测出很小一点区域的硬度值，甚至可以测出金相组织中不同相的硬度。主要用于实验室内的显微硬度测量，焊接性能试验中的最高硬度试验就是用维氏硬度计来测定焊缝，熔合线和热影响区
22、硬度的。30（4）里氏硬度）里氏硬度HL 里氏硬度的测量原理是：当材料被一个小冲击里氏硬度的测量原理是：当材料被一个小冲击体撞击时，较硬的材料使冲击产生的反弹速度大体撞击时，较硬的材料使冲击产生的反弹速度大于较软者。里氏硬度计采用一个装有碳化钨球的于较软者。里氏硬度计采用一个装有碳化钨球的冲击测头，在一定的试验力作用下冲击试样表面，冲击测头，在一定的试验力作用下冲击试样表面，利用电磁感应原理中速度与电压成正比的关系，利用电磁感应原理中速度与电压成正比的关系，测量出冲击测头距试样表面测量出冲击测头距试样表面1mm处的处的冲击速度和冲击速度和回跳速度回跳速度。里氏硬度值。里氏硬度值HL以冲击测头回
23、跳速度以冲击测头回跳速度VB与冲击速度与冲击速度VA之比来表示：之比来表示：HL1000VB/VA。里氏硬度计体积小，重量轻，操作简便，在任里氏硬度计体积小，重量轻，操作简便，在任何方向上均可测试，所以特别适合现场使用；由何方向上均可测试，所以特别适合现场使用；由于测量获得的信号是电压值，电脑处理十分方便，于测量获得的信号是电压值，电脑处理十分方便，测量后可立即读出硬度值，并能即时换算为布、测量后可立即读出硬度值，并能即时换算为布、洛、维等各种硬度值。洛、维等各种硬度值。31硬度检测的应用 材料硬度值与其强度存在着一定的比例关系，对钢铁材料来说，其材料硬度值与其强度存在着一定的比例关系，对钢铁
24、材料来说，其抗拉强度近似等于三分之一的布氏硬度值；材料化学成分中，大多数抗拉强度近似等于三分之一的布氏硬度值；材料化学成分中，大多数合金元素都会使材料的硬度升高，其中碳对材料硬度的影响最直接，合金元素都会使材料的硬度升高，其中碳对材料硬度的影响最直接，材料中的碳含量越大，其硬度越高，材料中的碳含量越大，其硬度越高，因此硬度试验有时用来判断材料因此硬度试验有时用来判断材料强度等级或鉴别材质；材料中不同金相组织具有不同硬度，强度等级或鉴别材质；材料中不同金相组织具有不同硬度，一般来说，一般来说，马氏体硬度高于珠光体，珠光体的硬度高于铁素体，铁素体的硬度高马氏体硬度高于珠光体，珠光体的硬度高于铁素体
25、，铁素体的硬度高于奥氏体，于奥氏体，故通过硬度值可大致了解材料的金相组织、以及材料在加故通过硬度值可大致了解材料的金相组织、以及材料在加工过程中的组织变化和热处理效果。工过程中的组织变化和热处理效果。加工残余应力与焊接残应力的存加工残余应力与焊接残应力的存在对材料的硬度也会产生影响，加工残余应力与焊接残余应力值越大，在对材料的硬度也会产生影响，加工残余应力与焊接残余应力值越大，硬度越高。正因为影响材料硬度的因素较多，工程上硬度检测的应用硬度越高。正因为影响材料硬度的因素较多，工程上硬度检测的应用也较多，锅炉压力容器检验中硬度检测的应用概括如下：也较多，锅炉压力容器检验中硬度检测的应用概括如下：
26、（1）对于一般的碳素钢、低合金钢，当材质不清或有疑问时，可通过）对于一般的碳素钢、低合金钢，当材质不清或有疑问时，可通过测定硬度，并根据硬度与强度的关系，近似求出材料的强度值。常用测定硬度，并根据硬度与强度的关系，近似求出材料的强度值。常用的一个换算公式：的一个换算公式：=3.28HV-221（适用于母材）；另一公式为（适用于母材）；另一公式为=3.55HB（适用于（适用于HB175的材料）的材料）（2）焊接性试验中检测焊接接头断面的母材、焊缝和热影响区的硬度，）焊接性试验中检测焊接接头断面的母材、焊缝和热影响区的硬度，据此判断材料的焊接性和工艺的适用性据此判断材料的焊接性和工艺的适用性32（
27、3）现场经常通过检测母材、焊缝和热影响区的硬度，判断焊接工艺执）现场经常通过检测母材、焊缝和热影响区的硬度，判断焊接工艺执行情况和焊接接头质量。行情况和焊接接头质量。（4）局部或整体热处理后，通过对焊缝金属、热影响区及母材进行硬度）局部或整体热处理后，通过对焊缝金属、热影响区及母材进行硬度测定，检查热处理效果，判断焊缝接头的消除应力情况。例如现场组焊测定，检查热处理效果，判断焊缝接头的消除应力情况。例如现场组焊的压力容器，整体热处理后焊缝金属和热影响区的硬度值要求不大于母的压力容器，整体热处理后焊缝金属和热影响区的硬度值要求不大于母材的材的120%（碳素钢）或（碳素钢）或125%（合金钢），电
28、站锅炉相关标准要求焊后（合金钢），电站锅炉相关标准要求焊后热处理的硬度不超过硬度值加热处理的硬度不超过硬度值加100HB,并且中合金钢不大于并且中合金钢不大于270HB,高合金高合金不高于不高于300HB（5）焊接返修时，对返修部位进行硬度测定，检查返修补焊工艺的可行）焊接返修时，对返修部位进行硬度测定，检查返修补焊工艺的可行性及焊接质量。性及焊接质量。（6）设备使用过程中，由于压力、温度、介质等工况条件的影响，在用）设备使用过程中，由于压力、温度、介质等工况条件的影响，在用检验中，当怀疑有脱碳或者球化时，应对可疑部位进行硬度测定。检验中，当怀疑有脱碳或者球化时，应对可疑部位进行硬度测定。（7
29、）压力容器在高温下长期使用后，有可能引起渗碳、渗氮、硫化、钒）压力容器在高温下长期使用后，有可能引起渗碳、渗氮、硫化、钒化及石墨化等现象。使材料的硬度改变。在用检验时，应选择适当部位化及石墨化等现象。使材料的硬度改变。在用检验时，应选择适当部位进行硬度测定。进行硬度测定。（8）在应力腐蚀环境中使用的压力容器，在制造或在用检验中应进行硬）在应力腐蚀环境中使用的压力容器，在制造或在用检验中应进行硬度检测，以判断应力腐蚀倾向。例如，要求湿硫化氢应力腐蚀环境中的度检测，以判断应力腐蚀倾向。例如，要求湿硫化氢应力腐蚀环境中的碳钢碳钢HB200；合金钢；合金钢HB235；液氨储罐材料临界硬度为；液氨储罐材
30、料临界硬度为HV210。33 现场硬度检测现场硬度检测（1）影响测试精度的因素：）影响测试精度的因素：试件的预处理。试件的被测表面必须露出金属光泽，平整、表面粗糙度Ra值应达到2um。被测表面应清洁、不得有油污。曲面工件测试。曲率半径R小于30mm的试件在测试时应使用小支承环。小试件测试时的支承。重量大于5kg的试件，不需要支承。对小于5kg的试件，由于冲击力会使试件移动而导致测试值不准，一般不宜应用。试件的厚度应大于5mm。当试件为大面积板材时，应在测试点的背面加固或支撑，否则即使厚度较大仍可能因试件变形导致测试值不准。试件本身不得带磁。（2）测试操作要求）测试操作要求 测试点选位：两测试点
31、间距应3mm。放置：应将冲击装置支承环压紧在被测表面，按动冲击装置释放钮的测试瞬间，应保持工件、冲击装置、操作员身体均处于稳定状态。（3）工作环境温度：1045。（4）校验：测试前最好先使用标准块对仪器进行校验。（5）数值处理：测试结果应取35次或更多次测试的平均值。（6）检定：每年至少检定一次，检定合格才能继续使用。34材料元素分析 1.材料元素分析目的与方法材料元素分析目的与方法 通常以下几种情况需要对材料进行元素分析通常以下几种情况需要对材料进行元素分析：（1）材料复验：为防止材料用错，对材料牌号进行的验证性）材料复验：为防止材料用错，对材料牌号进行的验证性分析；分析；（2）主体材料不明
32、，检验中欲查清材料种类，对材料的元素）主体材料不明，检验中欲查清材料种类，对材料的元素种类和的含量进行分析。种类和的含量进行分析。（3）在用设备修理需要补焊，查明材料的成分，以便选用合）在用设备修理需要补焊，查明材料的成分，以便选用合适的焊材和焊接工艺。适的焊材和焊接工艺。（4）在用压力容器检验中，怀疑材料在运行环境下其内表层）在用压力容器检验中，怀疑材料在运行环境下其内表层成分发生变化，需要分析内表层化学成分，确定是否发生损成分发生变化，需要分析内表层化学成分，确定是否发生损伤。伤。（5）在用压力容器检验中，有时需要对腐蚀产物进行分析，）在用压力容器检验中，有时需要对腐蚀产物进行分析，以确定
33、腐蚀的性质、原因、发展速率，以及对压力容器运行以确定腐蚀的性质、原因、发展速率，以及对压力容器运行安全的影响。安全的影响。钢铁材料元素分析的常用方法有钢铁材料元素分析的常用方法有原子发射光谱分析法和化学原子发射光谱分析法和化学分析分析法两种。此外，可用于微区和微量物质的元素分析方法法两种。此外，可用于微区和微量物质的元素分析方法还有扫描电镜、电子探针、离子探针、能谱仪等。还有扫描电镜、电子探针、离子探针、能谱仪等。352.原子发射光谱分析法 目前用于原子发射光谱分析的仪器有三类，一类是看谱分析，使用的仪器是看谱镜，一般用于材料中某项合金元素有无的鉴别；另一类是光电式光谱分析，使用的仪器是数字式
34、光谱分析仪，可进行材料成份的定性定量分析；第三种是荧光光谱分析，也可进行材料成份的定性定量分析。原子发射光谱分析法原理：利用电弧（或X射线或射线）激发被分析物质的原子，处于激发态的原子的核外电子会发生跃迁而发光，不同的元素的原子结构不同，核外的能级轨道和电子数也不相同，在受外来能源激发后，各自电子发生跃迁的轨道及轨道间的能级差不同，发射的光子波长也就不同，所以各种元素在一定条件下，都具有自身特征的线状谱（也称标识谱）。因此，根据被分析物质所发射光谱的谱线构成和强度，就可以鉴别出该物质所包含的原子种类和数量。36（1）看谱分析 看谱分析利用的是可见光范围特征谱，波长大致为390700nm.其其优
35、点如下：优点如下：应用范围广：对钢、铁、铜、铝及合金等金属材料都能进行分析；灵敏度高：对大多数元素来说，只要有极少的含量（0.1-10ppm）就可以发现该元素的存在；不需取样，用便携式看谱镜可以到现场进行分析操作；不损坏被分析试样，可直接在压力容器半成品或成品上进行检测；分析费用低，看谱分析不需要大量的贵重化学试剂和其它辅助材料。最适用于根据某一元素鉴别材料种类的工作，检测速度很快。其缺点如下：其缺点如下：分析有局限性：只能鉴定材料中是否含有特定的某一两种元素，无法对材料中全部元素进行检测分析；只能鉴定金属元素，不能检测非金属元素；分析结果受环境条件、操作技术、人眼睛感光灵敏度等因素的影响大；
36、不能定量分析。只能就某一元素与标准试样比对含量高低，且准确性不高；对仪器调节操作有一定要求，必须由熟练人员操作。37（2）光电式光谱分析 光电式光谱分析是建立在电脑技术和数字电子技术基础上的先进分析方法。光电式光谱分析仪一次激发即可获得全部元素的谱线信息，检测利用紫外-蓝紫光谱范围，波长大致为170560nm。光信号通过分光、色散、光电转换，变为电信号送入计算机，处理后自动给出被检试样各项元素的含量。比看谱镜更多的优点列举如下：可获得被分析物质的全部元素的谱线信息，因此能分析各种金属材料，数十种合金中的全部元素；光学系统有效波长包括了紫外范围，能检测非金属元素碳、硫、磷等；采用电脑控制检测分析
37、过程，自动化程度高，检测结果基本不受环境条件、操作技术等因素的影响；定量分析具有较高的精度。保证每一种元素的每一次分析都采用最佳分析线和最佳参考线，从而获得高精度，操作简单方便，每次检测前无须对仪器进行调校；检测速度极快（10秒-30秒内完成）；仪器电脑可存储相当数量的各种元素的谱线构成，可配置多种定量分析模式软件和牌号分级、混料识别模式软件，简化操作，提高工作效率；电脑可内存几千个测试结果，可打印或输出存储；38（3）荧光光谱分析 荧光光谱分析用X射线或射线来激发被分析物质的原子发出荧光X射线，通过识别荧光光谱来鉴别元素种类和数量。由于射线剂量很小，能量也低，对人体没有什么伤害。仪器体积小，
38、重量轻，操作比光谱分析仪更简单方便，对工件形状和表面要求不高。缺点是只能分析原子序数大于钛的元素，因此碳、硅、硫、磷等元素均无法识别。393.化学分析 化学分析能十分精确地分析出材料中元素含量。缺点是速度较光谱分析法慢。化学分析法在试验室进行。需要取样。化学分析方法有比色（光度）法、滴定法、重量法、萃取法、燃烧法、气体容量法、电导法、红外线吸收法等等，方法很多。40金相检验1.金相检验目的金相检验是通过观察到金属材料微观金相组织来对材料进行检验的，其应用目的主要有：（1）判断不明材料类别；（2）检验材料质量和热处理状态；（3）检查焊接质量，例如是否有淬硬的马氏体、过热的魏氏组织；（4）检验热处
39、理效果；（5）检测材料晶粒度；（6）检测材料中的微观缺陷，如晶间裂纹、疏松、过烧等；（7）检查长期高温环境下可能发生的材质劣化，例如珠光体球化、石墨化；（8）腐蚀环境下可能产生的晶间腐蚀或应力腐蚀裂纹；（9）高温高压临氢环境下的氢损伤，例如脱碳，氢腐蚀裂纹；（10）在用压力容器的断口金相检验，可以帮助判定腐蚀或断裂的类型，分析容器失效的原因。412.金相检验的程序和方法 现场金相检验的主要程序是：根据检验的目的选择有代表性的检验点；在检验部位用砂轮打磨出平整的金属磨面，并按顺序用从粗到细不同号的砂布或研磨膏打磨金属磨面；用抛光液或抛光膏将磨面抛光成镜面；根据不同钢种，采用合适的试剂对观测面进行
40、浸蚀，使金相组织显露更清楚。现场金相检验需要采用便携式仪器，包括手提式微型电动抛光器、电解抛光（浸蚀）装置及小的磨光砂轮、可在部件上安放的便携式显微镜等。早期的金相除了直接观察外，还可以采用间接观察方法，即复膜金相来进行检验，通常采用醋酸纤维素膜（即AC纸）制做复型，观察的效果直接取决于复型的好坏，而复型效果在很大程度上又取决于检验点的制样水平，这种观察方法优于直接观察法的地方是观察条件好、观察时间、人员不受限制，可用透射电子显微镜观察并且可以拍摄金相检验照片存档。目前更先进的方法是便携式显微镜与数码相机配合使用，图像存储、复制、观察都比较方便。42焊接接头组织的金相图谱过热区（粗晶粒区）正火
41、区（重结晶区）部分相变区母材4344三 金属部件主要失效形式分析1、锅炉主要部件失效类型 蠕变、疲劳、蠕变疲劳、侵蚀、腐蚀、磨损、材质老化及其交互作用等；2、压力容器失效类型451、锅炉主要部件的失效型式一、变形失效二、疲劳失效三、腐蚀失效四、蠕变失效五、磨损失效六、脆性断裂失效七、塑性断裂失效46一、过量变形失效 过量变形失效又可分为过量弹性变形失效和过量塑性变形失效 其主要影响因素有：1、热冲击：突然升温或降温，产生的热应力。2、部件自重：部件自重可产生永久变形，放置大型部件时应注意合理放置。3、残余应力：存在残余应力的大型部件在高温运行中，由于残余应力发生变化，破坏了原来部件内部的应力平
42、衡，造成永久变形。4、异常工况的影响5、材料问题，强度偏低6、设计的安全系数不够，会使部件发生变形。47二、疲劳失效 部件在工作过程中承受交变载荷或循环载荷的作用，引起部件内部的应力叫交变应力。在这种交变应力的作用下发生断裂的现象叫疲劳断裂。疲劳失效种类很多，分类方式极为复杂：按载荷分，有拉伸疲劳、拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳和各种混合受力的疲劳；按载荷交变频率分，有高周疲劳和低周疲劳；按应力大小分，有高应力疲劳和低应力疲劳；在复杂环境条件下还有腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、微振疲劳、接触疲劳等。48 疲劳断裂也有一个时间过程，即裂纹的萌生、裂纹的扩展和最终的瞬时断裂三个阶段。二、疲劳失效49二
43、、疲劳失效 1、高周疲劳断裂 低应力（105）。高周疲劳一般寿命较长，断裂时没有塑性变形，一般也称应力疲劳。高周疲劳一般具有穿晶特征，在裂纹金相试样上，裂纹呈波动状，裂纹中间没有腐蚀介质和腐蚀产物，裂纹尖端往往较尖锐，疲劳条纹间距小。2、低周疲劳断裂 高应力（s），低循环次数（N102105）。低周疲劳一般寿命较短，断裂时长伴随应变的发生，故也称应变疲劳。断口较为粗糙，断口周围往往有残余宏观变形。断口仍具有逐渐扩展区和瞬时破断区的特征，逐渐扩展区的“海滩”标志部明显或消失。3、高温疲劳断裂 4、热疲劳断裂 50三、腐蚀失效 金属材料受周围环境介质的化学与电化学作用而引起的损坏叫腐蚀失效。腐蚀对
44、部件损坏的表现为失重、破坏材料表面完好状态和生产裂纹。常见腐蚀失效的主要类型：1、高温氧化：其氧化反应方程式为：2Me+O22MeO（高温下）2、低熔点氧化物的腐蚀（高温腐蚀）劣质燃料中含有V2O5、Na2O、SO3 等低熔点氧化物，它们与金属反应生产新的氧化物。这些低熔点氧化物又会与金属表面的氧化物发生反应，生成结构松散的钒酸盐。3、烟气腐蚀（低温腐蚀）部件温度低于含酸根烟气的露点。含有较高SO2、SO3和CO2的烟气，当遇到较冷的物体（省煤器、空气预热器）时，温度降到烟气的露点以下。部件表面凝结的水膜与中的与SO2、SO3和CO2结合形成酸性溶液，导致锅炉尾部受热面严重的低温腐蚀。51三、
45、腐蚀失效4、应力腐蚀应力腐蚀是材料在腐蚀环境中和静态拉应力的同时作用下产生的破裂。它是断裂中最广泛、最严重的一种破坏形式。应力腐蚀的三个特定条件：特定的腐蚀环境、足够大的拉应力和特定的合金成分和结构。应力腐蚀有下列的几个特征：A、裂纹的宏观走向基本上与拉应力垂直。只有拉应力才能引起应力腐蚀，压应力会阻止或延缓应力腐蚀。B、应力腐蚀断裂存在着孕育期。C、产生应力腐蚀的合金表面都会存在钝化膜或保护膜。腐蚀只在局部区域，破裂时金属腐蚀量极小。D、断口呈脆性形貌，裂纹走向为穿晶、沿晶或混合型。裂纹一般起源于部件表面的蚀孔。E、应力腐蚀断裂一般发生在活化钝化的过渡区的电位范围，即在钝化膜不完整的电位范围
46、内。F、大多数应力腐蚀断裂体系中存在临界应力腐蚀断裂强度因子KISCC。当应力腐蚀断裂强度因子低于KISCC时，裂纹不扩展；大于KISCC时，应力腐蚀裂纹扩展。525、点蚀或孔蚀 在构件表面出现个别孔坑或密集斑点的腐蚀称为点腐蚀，又称孔蚀或小孔腐蚀。点腐蚀是一种由小阳极大阴极腐蚀电池引起的阳极区高度集中的局部腐蚀形式。点蚀隐蔽性很强。点腐蚀具有如下特征点蚀坑形貌：三、腐蚀失效53三、腐蚀失效6、晶间腐蚀：晶间腐蚀是指部件材料的晶界及其邻近部位优先受腐蚀，而晶粒本身不被腐蚀或腐蚀很轻的一种局部腐蚀。不锈钢的晶间腐蚀要比普通碳钢和合金钢较为普遍。7、氧的浓度差电池腐蚀 含氧的水溶液中，由于溶解氧的
47、浓度不同而引起的腐蚀称为氧的浓度差电池腐蚀。如水线处易出现腐蚀。氧浓度高的地方为阴极，浓度低的地方为阳极。阳极会受到腐蚀。8、垢下腐蚀 由于锅炉给水质量不佳，杂质在高温区的水冷壁管内沉积并形成盐垢，导致此处壁温升高，炉水在沉积物母体中蒸发，使非挥发成分变浓，使垢下的金属材料成为浓差电池和温差电池的阳极，而受到腐蚀。垢下腐蚀实际上是高压水下的电化学腐蚀。54三、腐蚀失效9、氢腐蚀 氢对金属的作用往往表现在使金属产生脆性，因而有时把金属的氢损伤统称为氢脆。习惯上把氢对钢的物理作用所引起的损伤叫做钢的脆性，而把氢与钢的化学作用引起的损伤叫做氢腐蚀。高压含氧环境中，由于氢原子扩散进入钢中，与钢中的碳结
48、合生成甲烷，使钢出现沿晶裂纹，引起钢的强度和塑性下降的腐蚀现象称为氢腐蚀。55四、蠕变失效1、蠕变的概念 蠕变是指金属材料在恒应力长期作用下而发生的塑性变形现象。2、蠕变断裂类型 A、基本形变型蠕变断裂（M型蠕变断裂）当部件受到大的应力，在较短的时间内发生的蠕变断裂为基本型蠕变断裂。断裂前整个基体发生形变。断裂部位金属流变明显，形成颈缩，断裂为穿晶型，断口的微观特征是韧窝。这类蠕变断裂对缺口应力集中不敏感。56四、蠕变失效3、过热失效 过热失效是材料在一定时间内的温度和应力作用而出现的失效形式。它是蠕变失效在电站锅炉高温部件的具体表现形式。它主要发生在受热面管道上。过热与超温的概念不同，超温就
49、是材料超过其额定使用温度范围运行。主要针对锅炉运行温度而言，而过热主要是针对材料的金相组织和机械性能的效果而言。过热是锅炉超温运行的结果，超温是过热的原因。过热失效一般分为长期过热和短期过热。主要表现形式是锅炉管子发生爆破。长期过热是管子在长时间的应力和超温温度作用下导致的爆管。长期过热一般超温幅度不大，过程缓慢。一般常发生在过热器和再热器管上。短期过热是超温幅度较高，在较短的时间内发生的失效现象。有的短期过热的超温幅度会高于相变点。一般发生在水冷壁管上。57 短期过热 长期过热58五、磨损失效 磨损分为五类：粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损和表面疲劳磨损。1、冲蚀磨损 A、固体粒子冲蚀
50、 B、汽蚀 2、腐蚀磨损 59六、脆性断裂失效 1、产生条件 材料的脆性是指材料的其他力学性能变化不大，而韧性急剧下降的现象。部件的脆性断裂是指几乎没有塑性变形，断裂过程极快而吸收能量极低的突发性破坏现象。只有处于脆性状态的零件才能发生脆性损坏。产生脆性断裂的加载条件是：静载或冲击。部件发生脆断时的应力大大低于材料的屈服强度，属于平面应变条件下的裂纹失稳扩展。60七、塑性断裂失效 产生条件 当部件所承受的应力大于材料的屈服强度时，将发生塑性变形。如果应力进一步增加，就可能发生断裂。这种失效，称为塑性断裂失效。它一般发生于静力过载或大能量冲击的恶劣工况情况下。61失效分析的主要分析方法和主要分析
