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1、金属材料第六章本讲稿第一页，共二十四页第六章第六章 耐热钢耐热钢引言引言耐热钢概念：在高温下工作并具有一定强度和抗氧化、耐腐蚀能耐热钢概念：在高温下工作并具有一定强度和抗氧化、耐腐蚀能力的钢种。力的钢种。各种动力机械，如热电站中的锅炉和蒸汽轮机、航空和舰艇用的燃汽轮机以及原子反应堆工程等结构中的结构件是在高温状态下工作。要求钢在高温下应具有：v抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化性能；v在一定介质中耐腐蚀的能力以及足够的韧性；v具有良好的加工性能及焊接性；v按照不同用途具有合理的组织稳定性。本讲稿第二页，共二十四页v主要包括主要包括:热稳定性钢：高温下抗氧化、抗高温介质腐蚀热稳定性钢：高温下抗
2、氧化、抗高温介质腐蚀的钢种。炉底板、炉栅的钢种。炉底板、炉栅 失效形式为高温氧化，承载不大。失效形式为高温氧化，承载不大。热强钢：高温下具有一定抗氧化性并具有足够热强钢：高温下具有一定抗氧化性并具有足够的强度而不产生大量变形和断裂的钢种。高温的强度而不产生大量变形和断裂的钢种。高温螺栓、涡轮叶片螺栓、涡轮叶片 第六章第六章 耐热钢耐热钢引言引言本讲稿第三页，共二十四页第六章第六章 耐热钢耐热钢第一节第一节 钢的热稳定性和热稳定钢钢的热稳定性和热稳定钢一、钢的热稳定性及其提高途径一、钢的热稳定性及其提高途径v钢的热稳定性是指钢在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀的能力。钢的热稳定性是指钢在高温下抗氧化
3、或抗高温介质腐蚀的能力。v钢的抗氧化性高低一般用单位时间、单位面积上氧化后质量增加钢的抗氧化性高低一般用单位时间、单位面积上氧化后质量增加或减少的数值表示，单位为或减少的数值表示，单位为g/m2。v质量增加常用于冷却后氧化物仍然紧密附着在金属表面上的材料，如高合金质量增加常用于冷却后氧化物仍然紧密附着在金属表面上的材料，如高合金钢的氧化。钢的氧化。v质量减少常用于碳钢、低合金钢或氧化物容易剥落的材料。质量减少常用于碳钢、低合金钢或氧化物容易剥落的材料。v减小质量或增加质量的程度越小，钢的稳定性越高。减小质量或增加质量的程度越小，钢的稳定性越高。本讲稿第四页，共二十四页v提高钢热稳定性的合金化原
4、理提高钢热稳定性的合金化原理含碳量：在含碳量：在0.10.2%左右，碳过高会形成左右，碳过高会形成Cr23C6等碳化物，妨碍钢表面等碳化物，妨碍钢表面氧化膜的连续性氧化膜的连续性主加元素：主加元素：Cr,Ni,Mn，目的是形成单相组织，提高基体电极电位，形成，目的是形成单相组织，提高基体电极电位，形成钝化膜，其中钝化膜，其中Cr是最主要的提高钢抗氧化性的元素是最主要的提高钢抗氧化性的元素辅加元素：辅加元素：Al,Si等，形成等，形成Al2O3,SiO2等钝化膜，但含量不能太高，等钝化膜，但含量不能太高，否则会增加钢的脆性否则会增加钢的脆性第六章第六章 耐热钢耐热钢第一节第一节 钢的热稳定性和热
5、稳定钢钢的热稳定性和热稳定钢本讲稿第五页，共二十四页第六章第六章 耐热钢耐热钢第一节第一节 钢的热稳定性和热稳定钢钢的热稳定性和热稳定钢二、主要钢种二、主要钢种1.铁素体型热稳定性钢铁素体型热稳定性钢v在铁素体不锈钢基础上加入在铁素体不锈钢基础上加入Si,Al，进一步提高钢的抗氧，进一步提高钢的抗氧化性化性v钢种：钢种：Cr13Si3,Cr18Si2,Cr25Si2,Cr13SiAl等等v特点：抗氧化性很好，但晶粒粗大，韧性低特点：抗氧化性很好，但晶粒粗大，韧性低v用途：低于用途：低于8001000 C下工作的炉用构件下工作的炉用构件本讲稿第六页，共二十四页第六章第六章 耐热钢耐热钢第一节第一
6、节 钢的热稳定性和热稳定钢钢的热稳定性和热稳定钢二、主要钢种二、主要钢种2.奥氏体型热稳定性钢奥氏体型热稳定性钢（1）在奥氏体不锈钢基础上加入）在奥氏体不锈钢基础上加入Si,Al，如，如Cr18Ni25Si2等等v特点：工艺性能好，抗氧化性好，热强性好，但太贵了特点：工艺性能好，抗氧化性好，热强性好，但太贵了v使用温度达到使用温度达到1100 C的炉用构件、渗碳箱等的炉用构件、渗碳箱等（2）Fe-Al-Mn型（无铬镍抗氧化钢），如型（无铬镍抗氧化钢），如6Mn18Al5Si2Tiv特点：便宜，但抗氧化能力较差特点：便宜，但抗氧化能力较差v使用温度达到使用温度达到950 C的炉用构件的炉用构件（
7、3）Cr-Mn-N型，如型，如Cr20Mn9Ni2Si2Nv特点：工艺性能好，抗氧化性好，承载能力均较好特点：工艺性能好，抗氧化性好，承载能力均较好v使用温度使用温度8501050 C的炉用构件的炉用构件本讲稿第七页，共二十四页本讲稿第八页，共二十四页第六章第六章 耐热钢耐热钢热强性：钢在高温和载荷共同作用下抵抗塑性变形和热强性：钢在高温和载荷共同作用下抵抗塑性变形和 破坏的能力。破坏的能力。一、高温下金属材料的力学性能一、高温下金属材料的力学性能热强性包括材料高温条件下的瞬时性能和长时性能。热强性包括材料高温条件下的瞬时性能和长时性能。瞬瞬时时性性能能：加加热热到到一一定定温温度度，保保温温
8、一一定定时时间间（使使试试样样热热透透）后后的的力力学性能。如高温拉伸、高温冲击和高温硬度等。学性能。如高温拉伸、高温冲击和高温硬度等。长长时时性性能能：材材料料在在高高温温及及载载荷荷共共同同长长时时间间作作用用下下所所测测得得的的性性能能。常常见见的的性性能能指指标标有有蠕蠕变变极极限限、持持久久强强度度、应应力力松松弛弛、高高温温疲疲劳强度和冷热疲劳。劳强度和冷热疲劳。第二节第二节 金属的热强性金属的热强性1.蠕变蠕变：材料在一定应力作用下缓慢地产生塑性变形的现象：材料在一定应力作用下缓慢地产生塑性变形的现象本讲稿第九页，共二十四页第六章第六章 耐热钢耐热钢第二节第二节 金属的热强性金属
9、的热强性一、高温下金属材料的力学性能一、高温下金属材料的力学性能2.蠕变蠕变v蠕变机制蠕变机制（2）位错运动）位错运动（3）晶界滑动）晶界滑动（4）扩散形变）扩散形变（1）基体软化）基体软化本讲稿第十页，共二十四页第六章第六章 耐热钢耐热钢第二节第二节 金属的热强性金属的热强性一、高温下金属材料的力学性能一、高温下金属材料的力学性能1.蠕变蠕变v蠕变极限：高温及长期载荷作用下材料的塑性变形抗力指标，蠕变极限：高温及长期载荷作用下材料的塑性变形抗力指标，有两种表示方法：有两种表示方法：一定温度下，使试样产生规定蠕变速率的应力值一定温度下，使试样产生规定蠕变速率的应力值一定温度下，在规定的时间一定
10、温度下，在规定的时间t内使试样产生一定蠕变伸长的应内使试样产生一定蠕变伸长的应力值力值2.持久强度持久强度v在给定温度下，恰好使材料经过规定时间发生断裂的应力值在给定温度下，恰好使材料经过规定时间发生断裂的应力值本讲稿第十一页，共二十四页第六章第六章 耐热钢耐热钢第二节第二节 金属的热强性金属的热强性二、钢热强性的影响因素及其提高途径二、钢热强性的影响因素及其提高途径1.影响耐热钢热强性的因素v影响耐热钢的软化因素。随着温度的升高，钢的原子间结合力降低，原子扩散系数增大，从而导致钢的组织由亚稳态向稳定态过渡。v形变断裂方式的变化。低温时 滑移方式；高温时 滑移、扩散形变及晶界的滑动与迁移本讲稿
11、第十二页，共二十四页第六章第六章 耐热钢耐热钢第二节第二节 金属的热强性金属的热强性2、钢热强性的提高途径、钢热强性的提高途径（1）阻碍基体软化过程）阻碍基体软化过程v提高钢的回复和再结晶温度提高钢的回复和再结晶温度-Fe的再结晶温度为的再结晶温度为450600 C，-Fe再结晶温度为再结晶温度为800 Cv阻碍原子的扩散阻碍原子的扩散选择原子排列密集的结构选择原子排列密集的结构 奥氏体钢奥氏体钢912 C时，时，-Fe的自扩散系数是的自扩散系数是-Fe的的240倍倍Ni在在-Fe中的扩散系数比在中的扩散系数比在-Fe中高中高1400倍倍527 C时，时，N在在-Fe中的扩散系数比在中的扩散系
12、数比在-Fe中高中高1500倍倍加入自扩散慢且又阻碍铁原子扩散的元素加入自扩散慢且又阻碍铁原子扩散的元素 Mo,W,Co等等阻碍刃位错的攀移（如何实现？）阻碍刃位错的攀移（如何实现？）选择奥氏体钢选择奥氏体钢加入降低奥氏体层错能的元素：加入降低奥氏体层错能的元素：Cr,Mo等等本讲稿第十三页，共二十四页第六章第六章 耐热钢耐热钢第二节第二节 金属的热强性金属的热强性二、提高钢热强性的途径二、提高钢热强性的途径（2）提高钢材的高温变形抗力）提高钢材的高温变形抗力v增加位错运动的阻力增加位错运动的阻力固溶强化：加入熔点高、扩散激活能大的元素固溶强化：加入熔点高、扩散激活能大的元素(Cr,W,Nb等
13、等)第二相强化：加入合金元素，形成高温下稳定的第二相粒子第二相强化：加入合金元素，形成高温下稳定的第二相粒子加入强碳化物形成元素：加入强碳化物形成元素：Cr,W,Mo,Nb,Ti等等加入形成金属间化合物的元素：加入形成金属间化合物的元素：Al,Ni,Ti等等v增加晶界滑动阻力增加晶界滑动阻力净化晶界：净化晶界：S,P等在晶界偏聚使晶界弱化，应尽量降低其含量（如何等在晶界偏聚使晶界弱化，应尽量降低其含量（如何降低？）降低？）加入加入B、稀土等元素，形成高熔点稳定化合物，作为晶核，使易熔杂质从晶界、稀土等元素，形成高熔点稳定化合物，作为晶核，使易熔杂质从晶界转入晶内。转入晶内。填补晶界上的空位：主
14、要是加入填补晶界上的空位：主要是加入B元素可填充晶界空位，阻碍晶界元素可填充晶界空位，阻碍晶界原子扩散原子扩散晶界沉淀强化：如在晶界上形成晶界沉淀强化：如在晶界上形成Cr23C6钉扎晶界的运动钉扎晶界的运动减少晶界数量：晶粒度在减少晶界数量：晶粒度在24级比较好级比较好本讲稿第十四页，共二十四页第六章第六章 耐热钢耐热钢一、珠光体热强钢一、珠光体热强钢在在650 C以下有较好的热强性，而且工艺性能好，价格便宜以下有较好的热强性，而且工艺性能好，价格便宜1.低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）v碳含量：碳含量：0.080.2 wt%v主加元素：主加元素：Cr,Mo，主
15、要起固溶强化作用，同时阻碍扩散过程，主要起固溶强化作用，同时阻碍扩散过程v辅加元素：辅加元素：V,Ti,B，形成稳定的碳化物，强化晶界，形成稳定的碳化物，强化晶界v代表钢种：代表钢种：12CrMoVv使用温度：不超过使用温度：不超过580 C第三节第三节 热强钢热强钢2.中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢）中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢）v碳含量：碳含量：0.20.4 wt%v代表钢种：代表钢种：25Cr2MoVA,20Cr1Mo1VTiB本讲稿第十五页，共二十四页3.珠光体型热强钢工作过程中产生的组织变化v珠光体的球化和碳化物的聚集 片状碳化物转变成球状，分散细小的碳化物聚集
16、成大颗粒的碳化物。v钢的石墨化 在工作温度和应力长期作用下，钢件会使碳化物分解成游离的石墨，自发进行v合金元素的再分布 长期工作时，会发生合金元素的再分配，碳化物形成元素Cr、Mo向碳化物内扩散、富集，造成固溶体合金元素贫化，导致热强性下降。v热脆性 热脆性与该温度下某种新相的析出有关。防止热脆性的措施：使钢的长期工作温度避开脆性区温度；冶炼时尽量降低wN、wP;已发生热脆性的钢，可采用600650高温回火后快冷的方法消除。本讲稿第十六页，共二十四页本讲稿第十七页，共二十四页本讲稿第十八页，共二十四页第六章第六章 耐热钢耐热钢二、马氏体热强钢二、马氏体热强钢1.燃汽轮机叶片用钢：承受复杂应力（
17、离心力、弯矩、拉力等），承受燃汽轮机叶片用钢：承受复杂应力（离心力、弯矩、拉力等），承受高压蒸汽冲刷，要求高的耐腐蚀性、热强性、耐磨性和高的抗氧化性高压蒸汽冲刷，要求高的耐腐蚀性、热强性、耐磨性和高的抗氧化性v由由Cr13型马氏体不锈钢发展起来型马氏体不锈钢发展起来v辅加元素：辅加元素：Mo,W,V、B等等v代表钢种：代表钢种：2Cr13,15Cr12WMoVAv使用温度：不超过使用温度：不超过620 C第三节第三节 热强钢热强钢2.内燃机排气阀用钢：使用温度更高、腐蚀更严重内燃机排气阀用钢：使用温度更高、腐蚀更严重v碳含量：碳含量：0.4 wt%左右左右v主要合金元素为主要合金元素为Cr,S
18、i,Mo等等v代表钢种：代表钢种：4Cr9Si2,4Cr10Si2Mov使用温度：不超过使用温度：不超过700 C本讲稿第十九页，共二十四页本讲稿第二十页，共二十四页第六章第六章 耐热钢耐热钢三、奥氏体热强钢三、奥氏体热强钢第三节第三节 热强钢热强钢优点：使用温度高、可焊性好、塑韧性好、热稳定性好优点：使用温度高、可焊性好、塑韧性好、热稳定性好缺点：室温屈服强度低、切削加工性能差、导热性差、热疲劳性能差缺点：室温屈服强度低、切削加工性能差、导热性差、热疲劳性能差珠光体、马氏体类热强钢一般使用温度再650以下，不适于更高温度。原因是其基体为铁素体，先天不足。奥氏体基钢比铁素体钢具有更高的热强性的
19、原因：vg-Fe晶格的原子间结合力比a-Fe晶格的原子间结合力大；vg-Fe扩散系数小；vg-Fe的再结晶温度高（a-Fe再结晶温度为450600，而g-Fe再结晶温度大于800）。本讲稿第二十一页，共二十四页本讲稿第二十二页，共二十四页1.固溶强化型固溶强化型v由由Cr-Ni奥氏体不锈钢发展起来奥氏体不锈钢发展起来v辅加元素：辅加元素：Mo,W,Nb等等v代表钢种：代表钢种：1Cr18Ni9Mo,1Cr14Ni9W2Nbv使用条件：不超过使用条件：不超过800 C，承载较小，承载较小2.碳化物沉淀强化型碳化物沉淀强化型v碳含量：碳含量：0.4 wt%左右左右v成份特点：高成份特点：高Cr(2
20、5wt%),高高Ni(35wt%)v代表钢种：代表钢种：4Cr25Ni35,4Cr25Ni35WNbv使用温度：不超过使用温度：不超过600 1050 C本讲稿第二十三页，共二十四页3.金属间化合物强化热强钢（铁基高温合金）v碳含量：0.08v合金中的强化相是金属间化合物g-Ni3(TiAl)、Ni3Ti，故wNi较高（2540），同时含有Al、Ti、Mo、V、B等合金元素。v为了使g相具有较好的强化效果，需要进行适当热处理。如GH132:9801000两小时固溶处理，700760 范围内16h时效处理，此时g相便以极细小的颗粒分布，从而达到最好的强化效果。v若在GH132钢的基础上，再向钢中加入W、Mo、Ti、Nb等元素，同时增加Ni含量，以稳定奥氏体，可使钢的使用温度提高到750800。v奥氏体基热强钢的最高使用温度只能达到750800。对于更高温度下使用的耐热钢，则采用无同素异构转变的Ni基和难熔金属为基的合金。本讲稿第二十四页，共二十四页