金属材料学 第6章 耐热钢.pdf

第6章 耐热钢第6章 耐热钢 蒸汽锅炉 蒸汽涡轮 航空工业的喷气发动机 以及航天 舰船 石油和化工等工业部门的许多工 作部件在高温下工作 因为是在高温下服役 所以 这些零部件技术要求比较苛刻 通常把在高温条件 工作的钢称为耐热钢 耐热钢应具有两方面的基本性能 一是有良好的 高温强度和塑性 二是有足够高的高温稳定性 根 据不同服役条件 常常将耐热钢分为热强钢和热稳 定性钢两大类 蒸汽锅炉 蒸汽涡轮 航空工业的喷气发动机 以及航天 舰船 石油和化工等工业部门的许多工 作部件在高温下工作 因为是在高温下服役 所以 这些零部件技术要求比较苛刻 通常把在高温条件 工作的钢称为耐热钢 耐热钢应具有两方面的基本性能 一是有良好的 高温强度和塑性 二是有足够高的高温稳定性 根 据不同服役条件 常常将耐热钢分为热强钢和热稳 定性钢两大类 6 1 基本概念基本概念 1 金属的抗氧化性金属的抗氧化性 铁氧化物类型有铁氧化物类型有FeO Fe2O3 Fe3O4三种 三种 FeO 结构疏松 冷却分解 应力 结合力弱 易剥落 结构疏松 冷却分解 应力 结合力弱 易剥落 Fe2O3 Fe3O4 结构致密 和基体结合好 结构致密 和基体结合好 570 以下 氧化膜由 以下 氧化膜由Fe2O3和和Fe3O4组成 组成 570 以上 氧化膜由 以上 氧化膜由Fe2O3 Fe3O4和和FeO 氧化物组成 约氧化物组成 约1 10 100 570 以上铁的氧化过程大大地加速 遵守 抛物线规律 以上铁的氧化过程大大地加速 遵守 抛物线规律 形 成 规 律 形 成 规 律 二 提高钢抗氧化性的途径二 提高钢抗氧化性的途径 1 提高钢氧化膜稳定性 提高钢氧化膜稳定性 FeO的形成温度的形成温度 FeO的形成温度的形成温度 又优先形成稳定氧化物 又优先形成稳定氧化物 Cr Al Si 途 径 途 径 例 子 例 子 如 如 1 03 Cr FeO形成温度为形成温度为600 1 14 Si FeO形成温度为形成温度为 750 Cr Al量高时 钢的表面可生成致密的量高时 钢的表面可生成致密的 Cr2O3或或Al2O3保护膜 保护膜 2 形成致密 稳定的氧化膜2 形成致密 稳定的氧化膜 Cr Al Si Ti等 逐步形成以合金元 素氧化物为主或合金元素氧化物的氧化膜 如 等 逐步形成以合金元 素氧化物为主或合金元素氧化物的氧化膜 如Al2O3 SiO2 Cr2O3等 致密 稳定 等 致密 稳定 常用合金元素对工业纯铁蠕变极限的影响常用合金元素对工业纯铁蠕变极限的影响 6 1 2 钢的热强性6 1 2 钢的热强性 一 钢的热强性能指标一 钢的热强性能指标 1 蠕变及蠕变极限1 蠕变及蠕变极限 700 10000 1 蠕变极限是试样在一定温度下和在规定的 持续时间内 产生的蠕变变形量 总的或残余 的 或蠕变速率等于某规定值时的最大应力 蠕变极限是试样在一定温度下和在规定的 持续时间内 产生的蠕变变形量 总的或残余 的 或蠕变速率等于某规定值时的最大应力 例如 例如 表示在表示在700 时 持续时间为 时 持续时间为 10000 h 产生蠕变总变形量为 产生蠕变总变形量为1 的蠕变极限 的蠕变极限 2 持久强度2 持久强度 持久强度极限是试样在一定温度和规定的持续时 间内引起断裂的最大应力值 如 300MPa 表示在700 时 持续时间 为100 h的持久强度极限值为300 MPa 持久强度极限是试样在一定温度和规定的持续时 间内引起断裂的最大应力值 如 300MPa 表示在700 时 持续时间 为100 h的持久强度极限值为300 MPa 3 高温疲劳强度3 高温疲劳强度 在高温疲劳时只有条件疲劳极限 即把在某一规 定的循环次数 一般采用 在高温疲劳时只有条件疲劳极限 即把在某一规 定的循环次数 一般采用107 108次 下而不断裂时 的最大应力作为疲劳极限 次 下而不断裂时 的最大应力作为疲劳极限 700 100 4 应力松弛4 应力松弛 应力松弛现象是在具有恒定总变形的零件中 应力松弛现象是在具有恒定总变形的零件中 随时间延长而自行降低应力的现象 随时间延长而自行降低应力的现象 蒸汽管道螺栓 需要经常拧紧 蒸汽管道螺栓 需要经常拧紧 原子易发生扩散 使弹性变形变成了 塑性变形 从而使 应力不断降低 原子易发生扩散 使弹性变形变成了 塑性变形 从而使 应力不断降低 二 提高热强性的途径二 提高热强性的途径 1 强化基体1 强化基体 基体金属熔点基体金属熔点 T熔 金属原子间结合力 铁 镍 钼基是依次 熔 金属原子间结合力 铁 镍 钼基是依次 合金晶格类型合金晶格类型 fcc Fe bcc Fe 奥氏体型钢要比奥氏体型钢要比 F M P型钢的蠕变抗力高型钢的蠕变抗力高 固溶体结合力固溶体结合力 合金化 固溶体原子间结合 力 合金化 固溶体原子间结合 力 Mo Cr Mn Si作用较大作用较大 2 强化晶界2 强化晶界 净化晶界 杂质易偏聚在晶界 形成易熔夹杂物 晶界强度 净化晶界 杂质易偏聚在晶界 形成易熔夹杂物 晶界强度 RE B优先结合杂质 形成 高熔点化合物 异质晶核 从晶界转入晶内 优先结合杂质 形成 高熔点化合物 异质晶核 从晶界转入晶内 填充空位 晶界上空位多 原子易快速扩散 填充空位 晶界上空位多 原子易快速扩散 B 易偏聚晶界 晶界空位 易偏聚晶界 晶界空位 3 弥散强化3 弥散强化 弥散质点 位错运动 强度 有效 性和程度的关键是质点的性质 大小 分布 稳定性 弥散质点 位错运动 强度 有效 性和程度的关键是质点的性质 大小 分布 稳定性 珠光体热强钢的蠕变强度 珠光体热强钢的蠕变强度 4 热处理4 热处理 6 1 3 耐热钢的合金化6 1 3 耐热钢的合金化 Cr 钢抗氧化性主要元素 形成致密而稳定的 钢抗氧化性主要元素 形成致密而稳定的 Cr2O3 T Cr 如 如600 650 需要 需要 5 Cr 800 时 为 时 为12 Cr 固溶强化 固溶强化 Mo W 低合金热强性重要元素 固溶强化 析出稳定相 低合金热强性重要元素 固溶强化 析出稳定相 Al 抗氧化性的有效元素 在 抗氧化性的有效元素 在1000 时 时 6 Al 18 Cr水平 冶金工 艺性 使钢变脆 不能单独加入 作为辅助 合金化元素 水平 冶金工 艺性 使钢变脆 不能单独加入 作为辅助 合金化元素 Si 抗氧化性的辅助元素 但效果比 抗氧化性的辅助元素 但效果比Al还要有 效 使钢脆性大 用 还要有 效 使钢脆性大 用Si代替部分代替部分Cr G化 化 K聚集长大 一般在聚集长大 一般在2 3 Si 用于渗碳罐 抗渗性好 用于渗碳罐 抗渗性好 Ni 获得奥氏体组织 获得奥氏体组织 Ti Nb V 形成稳定 形成稳定K 钢松弛稳定性 热强性 钢松弛稳定性 热强性 C 较低温度时强化钢 较低温度时强化钢 G化 化 K聚集长 大 尽可能 聚集长 大 尽可能 C 6 2 热强钢6 2 热强钢 6 2 1 珠光体热强钢6 2 1 珠光体热强钢 按用途主要有锅炉钢管 紧固件和转子用按用途主要有锅炉钢管 紧固件和转子用 钢等几大类 钢等几大类 一 锅炉钢管用珠光体热强钢一 锅炉钢管用珠光体热强钢 高温和高压 高温烟气和水蒸汽 安全可靠高温和高压 高温烟气和水蒸汽 安全可靠 抗氧化和耐蚀 组织稳定 工艺性能好 抗氧化和耐蚀 组织稳定 工艺性能好 普遍 问题 普遍 问题 组织不稳定 如片状组织不稳定 如片状P球化 球化 K长 大 长 大 G化 强度 管子爆裂化 强度 管子爆裂 合金 化 合金 化 0 2 C 球化 球化 K长大 长大 G化 采用 化 采用 Cr Mo V系系 Mo W Cr 固溶强化 固溶强化 K长大和长大和 G化 化 Cr 抗氧化性和耐蚀性 抗氧化性和耐蚀性 V Ti 直接作用直接作用 间接作用间接作用 形成稳定形成稳定MC型型K 弥散强化 热强度 弥散强化 热强度 使更多使更多Mo W Cr 固溶 热强度固溶 热强度 典型钢号典型钢号12Cr1MoVG是用量较大的钢管 材料 是用量较大的钢管 材料 15CrMo 12CrMoV 等等 二 紧固件用珠光体热强二 紧固件用珠光体热强 紧 固 件 紧 固 件 处于初紧预应 力状态工作 处于初紧预应 力状态工作 高的屈服强度 松弛稳定性 缺口敏感性小 一定抗氧化性 高的屈服强度 松弛稳定性 缺口敏感性小 一定抗氧化性 C Cr Mo V 常用钢 常用钢 35CrMoV 25Cr2MoV钢常用作中压 气轮机的螺栓和螺母材料 钢常用作中压 气轮机的螺栓和螺母材料 25Cr2Mo1V钢 在高压电厂中广泛使用 钢 在高压电厂中广泛使用 三 转子用钢三 转子用钢 转 子 转 子 主轴 叶轮 或整锻转子 主轴 叶轮 或整锻转子 过热蒸汽 复杂应 力 扭 过热蒸汽 复杂应 力 扭 弯弯 热等 热等 热强性 沿轴向 径向均匀一致 的综合力学性能 淬透性 热强性 沿轴向 径向均匀一致 的综合力学性能 淬透性 常用钢 汽轮机叶轮常用中碳珠光体热强钢 制造 如 常用钢 汽轮机叶轮常用中碳珠光体热强钢 制造 如35Cr2MoV 33Cr3WMoV钢钢 6 2 2 马氏体热强钢6 2 2 马氏体热强钢 一 叶片用钢一 叶片用钢 在在Crl3型马氏体不锈钢的基础上进一步型马氏体不锈钢的基础上进一步 合金化发展了合金化发展了Crl2型马氏体耐热钢 型马氏体耐热钢 15Cr12WMoV 2Cr12WMoNbVB等 等 工作温度可在工作温度可在600 左右 左右 常用于大功率火力发电机组 常用于大功率火力发电机组 二 气阀钢二 气阀钢 内燃机排气阀工作条件非常苛刻 内燃机排气阀工作条件非常苛刻 700 850 工作 受到燃气的高温腐蚀 工作 受到燃气的高温腐蚀 氧化腐蚀和冲刷腐蚀磨损氧化腐蚀和冲刷腐蚀磨损 热疲劳热疲劳 常用钢号有常用钢号有4Cr9Si2 4Cr10Si2Mo 采 采 用用1050 淬火加热 油冷 淬火加热 油冷 700 左右回 左右回 火 组织为回火索氏体 保持马氏体形貌火 组织为回火索氏体 保持马氏体形貌 特征 高于特征 高于750 的阀门需要采用奥氏体型 的阀门需要采用奥氏体型 热强钢 热强钢 6 3抗氧化钢6 3抗氧化钢 抗氧化钢用于工业炉的构件 炉底板 炉罐等 抗氧化钢用于工业炉的构件 炉底板 炉罐等 F型是在型是在F型不锈钢基础上发展形成 型不锈钢基础上发展形成 A型抗氧化钢是在型抗氧化钢是在A不锈钢基础上发展起来的 不锈钢基础上发展起来的 A型抗氧化钢目前主要有铬 镍系和铬 锰 氮系 铬 锰 氮系奥氏体型抗氧化钢在950 以下有较 A型抗氧化钢目前主要有铬 镍系和铬 锰 氮系 铬 锰 氮系奥氏体型抗氧化钢在950 以下有较 好的抗氧化性 且有较高的高温强度 工艺性不如好的抗氧化性 且有较高的高温强度 工艺性不如 铬 镍系抗氧化钢 低镍奥氏体抗氧化钢 使用比较铬 镍系抗氧化钢 低镍奥氏体抗氧化钢 使用比较 多的有多的有ZG4Cr22Ni4N和和 ZG3Cr24Ni7N钢 经济 钢 经济 本章小结本章小结 温度对钢的使用来说有很大的影响 是关键因 素 在高温条件下工作的零部件就其材料成分 性能要求及失效机理和一般常温下的零