金属材料第五讲-耐热钢.ppt

耐热钢,耐热钢和合金的发展是高温下工作的动力机械的需要需要在高温下承受各种载荷（拉伸、弯曲、扭转、疲劳、冲击）与高温蒸气、空气、燃气接触，发生高温氧化或气体腐蚀应用：火电厂的蒸汽锅炉、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高温工作部件。,高温合金的重要用途,为提高热效率，需要耐热性能更好的高温合金！,航空发动机,火力发电机,高温下工作时，钢和合金将发生原子扩散过程，并引起组织转变，这是与低温部件的根本不同点，因此耐热钢和耐热合金的基本要求是：良好的高温强度及与之相适应的塑性有足够高的化学稳定性,钢和合金的蠕变及高温强度指标,蠕变：钢和合金在温度和应力作用下发生连续而缓慢变形,oa-加载后瞬时变形（oa为弹性变形，aa为塑性变形）I-减速变形阶段；II-稳态变形阶段III-加速变形阶段,高温强度指标蠕变强度（极限）：在某温度下，在规定时间达到规定变形(如0.1%)时所能承受的应力。sd/tt(s1/100000700)=100MPa700持续时间10000小时，总变形量1%时的蠕变极限。持久强度：规定温度和规定时间断裂所能承受的应力。stt(s100700)=300MPa，700持续时间100小时断裂的持久强度为300MPa持久寿命：规定温度和规定应力作用下拉断的时间。,合金元素对钢氧化性能的影响,钢中加入Cr、Al、Si，可以提高FeO出现的温度，改善钢的高温化学稳定性。当铬和铝含量高时，钢的表面可生成致密的Cr2O3或Al2O3保护膜。通常在钢表面生成FeO-Cr2O3或FeO-Al2O3等尖晶石类型的氧化膜，含硅钢中生成Fe2SiO4氧化膜，他们都有良好的保护作用。,MCrAlYSi涂层合金在1373K循环氧化动力学曲线YSZ:Y掺杂ZrO2阻热涂层,铬是提高抗氧化能力的主要元素，铝也能单独提高钢的抗氧化能力。硅由于增加钢的脆性，加入量受到限制，只能作辅加元素。其它元素对钢抗氧化能力影响不大。少量稀土金属或碱土金属（Hf、Y）能提高耐热钢和耐热合金的抗氧化能力，特别在1000以上，使高温下晶界优先氧化的现象几乎消失。钨和钼降低钢和合金的抗氧化能力，氧化产物WO3和MoO3具有低熔点和高挥发性，使抗氧化能力变坏。高于400的水蒸汽能使钢氧化：3Fe+4H2OFe3O4+2H2当氢扩散到钢中引起脱碳，生成甲烷，并在晶界析出，引起裂缝，即氢腐蚀。,合金元素对钢氧化性能的影响,耐热钢分类,耐热钢根据显微组织可分为铁素体型和奥氏体型两大类,铁素体珠光体耐热钢,铁素体型耐热钢包括铁素体珠光体耐热钢、马氏体耐热钢和铁素体耐热钢（工作范围350650）,此类钢的合金元素总量不超过5，退火后得到铁素体加珠光体组织，经过热处理使钢强化强化方法：固溶强化和碳化物沉淀强化用途：多用于锅炉蒸汽管道，在450620蒸汽介质中长期运转。,铁素体珠光体耐热钢,低碳珠光体耐热钢：含C在0.080.20%之间，具有低硬度与高塑性，易加工。碳化物相少，高温组织稳定性高。400600之间保持稳定弥散分布的碳化物，维持强化，用于500600工作的锅炉钢管及汽轮机叶片等要求塑性和焊接性好的零件。中碳珠光体耐热钢：含C在0.250.40%，采用热锻成型用于温度较低的过热蒸汽管道、汽轮机轴、枪炮管等。,固溶强化：强化元素有W、Mo、Cr。W、Mo溶于基体相，能增强原子间结合强度，提高再结晶温度，因而能显著地提高基体的蠕变抗力。铬含量小于0.5%时强化基体的作用较强，含量再增加时强化作用增加很少。其它元素如Mn、Si、Ni、Co的影响很小。,碳化物沉淀强化：沉淀强化作用以MC型最高，它不易聚集长大；M2C型的强化作用次之，M6C型又次之；M7C3型由于聚集长大速度高，将降低钢的蠕变性能。,强碳化物形成元素V、Ti、Nb在钢中可形成各自的特殊碳化物VC、TiC、NbC。钨、钼在钢中形成M2C型的W2C、Mo2C和M6C型的Fe3W3C、Fe3Mo3C。铬在钢中的含量低时，出现合金渗碳体(Fe,Cr)3C，含量超过23时，出现(Fe,Cr)7C3。,铁素体珠光体耐热钢,铁素体珠光体耐热钢,含W、Mo、V、Ti、Nb的钢经过热处理，在500700范围析出MC型和M2C型碳化物，产生沉淀强化。当V/C4时(重量比)，符合VC化学式时，碳和钒几乎全部结合成VC，达到最佳的沉淀效果，具有最高的蠕变抗力。钛和铌的作用与钒相似，当Nb/C8时，Ti/C3时，几乎全部生成NbC或TiC，具有最高的蠕变抗力。当其比例小于各自的数值时，碳有剩余，就会与W、Mo结合形成M2C或M6C碳化物。这两种碳化物，尤其是M6C，其聚集长大速度高，强化效果差，同时减少了W、Mo在基体中的固溶强化作用。当V、Ti、Nb与C的比例超过各自的数值时，过剩的V会降低基体的蠕变抗力，过剩的Nb或Ti会形成AB2相，如Fe2Nb，其聚集速度高，对蠕变强度不利。,铁素体珠光体耐热钢,铁素体珠光体耐热钢在400580长期运转后将发生高温回火脆性，钢中杂质元素P、Sn、Sb、As等的晶界偏聚导致钢的回火脆化倾向增大。钢中N含量也对脆性有较大的影响。钢中虽然含有Mo，但这种长时间过热后的回火脆性也难以避免。铁素体珠光体耐热钢的典型钢种有12Cr1MoV、12Cr2.25Mo、15CrMo等，新发展的钢种有12Cr2MoWVTiB等。几种典型的钢种的成分见下表。,马氏体耐热钢,合金元素含量提高至空冷获得马氏体组织的热强钢如表所示。,1Cr11MoV、1Cr12WMoVA、1Cr11Ni2W2MoVA、1Cr12WMoVNbBA是汽轮机或燃气涡轮机叶片用钢，要求较高的抗腐蚀性的同时具有高的热强性，是从Cr13型马氏体不锈钢基础上发展而来的。主要采用W、Mo、V、Ti、Nb等碳化物形成元素来固溶和沉淀强化。4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo为阀门用钢。内燃机燃烧室排气阀端的温度高达700850，燃气中含有V、S、Na等的氧化物及防爆剂乙基铅等，使阀门严重腐蚀。C含量高耐磨损，Cr、Si可提高同素异构相变点，提高耐热性能高和热稳定性。,马氏体耐热钢,低碳的Cr13型马氏体不锈钢：虽然有高的抗氧化性和耐腐蚀性，但组织稳定性差，只能做450以下的汽轮机叶片。Cr12型马氏体耐热钢是通过加入Mo、W、V、Nb、N、B等元素来进行强化。Cr12型马氏体耐热钢：（1）加入W、Mo后，消除了Cr7C3，只出现单一的（Cr，Mo，W，Fe）23C6，并具有沉淀强化作用。W、Mo除部分溶于M23C6和M6C碳化物外，大部分溶于基体起固溶强化作用。钢中W、Mo比例影响到钢的强度和韧性，若W低Mo高，则有高韧性和塑性，但蠕变强度较低；反之，则有高蠕变强度而韧性和塑性较低。钢中B起晶界强化作用。（2）加入V或Nb，能析出VC或NbC，起沉淀强化作用。加入氮后，也能增加沉淀强化数量，有利于加强沉淀强化效应。,马氏体耐热钢,2Cr12MoV和2Cr12WMoV钢的主要强化相是M23C6，固溶有W、Mo和V而提高了稳定性，高于650才开始显著聚集增大。由于钢中合金元素含量高，因而有很高的淬透性。,马氏体耐热钢,1Cr9W2MoVNbNB钢采用多元合金复合合金化，钢中强化相有MC、MN、M23C6和M6C。,W、Mo的固溶强化和B的晶界强化，在600和650有很高的蠕变强度。经1050加热后空冷，又经800回火，在600105h的持久强度为196MPa，650为98MPa，比Cr18Ni19奥氏体不锈钢在同样工作条件下还高。钢中加入（N）0.050.10可增加（V，Nb）N沉淀强化效果。这种钢可作为高蠕变强度的高压锅炉用耐热钢。,奥氏体型耐热钢,奥氏体型耐热钢,具有体心立方结构的铁素体型耐热钢，在600650温度条件下的蠕变强度明显下降。而具有面心立方结构的奥氏体型耐热钢，在650或更高温度下有较高的高温强度。奥氏体型耐热钢可分为Cr18Ni9型奥氏体不锈钢、固溶强化型奥氏体耐热钢和沉淀强化型奥氏体耐热钢。,固溶强化型奥氏体耐热钢如1Cr14Ni19W2NbB、1Cr18Ni14Mo2Nb等，以钨、钼进行固溶强化，以硼进行晶界强化。这类钢可用来制造在600700下工作的蒸汽过热器和动力装置的管路，680以下燃气轮机动、静叶片及其他锻件。经11001150固溶处理，在650700长时间保温后，有不大的时效硬化倾向。钢具有中等持久强度和高塑性，在650的1000为200MPa时，100000为100MPa，伸长率为36%。,奥氏体型耐热钢,奥氏体型耐热钢,一、碳化物沉淀强化耐热钢,这类钢的沉淀强化相为MC碳化物，并含有钨、钼等固溶强化元素。以NbC为沉淀强化相的钢4Cr13Ni13Co10Mo2W3Nb3。,常用的是以锰部分代镍的4Cr13Mn8Ni8MoVNb(GH36,481)钢，含有（V）=1.4%，（Nb）=0.4%的沉淀强化相是(V,Nb)C，它以VC为主，溶有部分铌。当钒、铌和碳的比例正好和VC、NbC的化学式相等时，具有最好的高温强度。VC析出的最高速度对应的温度在670700，在此温度时效后，钢具有最高的沉淀硬化。另外一种碳化物是复合的M23C6型的（Cr,Mn,Mo,Fe,V）23C6,但不能成为沉淀强化相。当（NB）0.6%时，钢中才会单独出现NbC相，它溶有不多的钒和钼。,奥氏体型耐热钢,时效温度对碳化物析出量和钢的硬度的影响见下图。M23C6在较低温度析出量很少，其最高析出温度在900。钢中的钼主要起固溶强化作用。,GH36钢的固溶温度为1140，保温1.52h，然后水冷，以防止冷却时析出VC而造成大截面零件在时效时内外组织和性能的不均匀性。为消除零件的内外差别，固溶处理后进行两次时效处理，第一次在670时效16h，第二次在760800时效1416h,然后空冷。第一次时效温度较低，VC析出呈现小而弥散分布，钢的强度虽高，但塑性和韧性较低，且具有缺口敏感性。第二次时效温度高于工作温度，弥散的VC颗粒适当长大，这种组织在低于750有很好的稳定性，改善了在670时效后钢在性能上的缺陷。GH36耐热钢用于工作温度在650的零件，如涡轮盘件。,奥氏体型耐热钢,采用微合金化方法创制了改进型GH36钢，加入少量铝（0.30%）以结合钢液中的氮，减少含钒和铌的碳氮化合物M（C，N）夹杂，以充分发挥钒和铌的沉淀强化作用。同时，加入微量的镁（=0.0030.005%）来强化晶界，提高钢的持久性。,奥氏体型耐热钢,二、金属间化合物沉淀强化耐热钢,奥氏体型耐热钢,合金元素钛和铝在奥氏体耐热钢时效过程中能析出金金属间化合物相为主要沉淀强化相。-Ni3（Ti,Al）点阵常数与奥氏体基体相近，二者仅稍有差别。当相析出时，能形成共格，产生沉淀强化。几种沉淀强化耐热钢的化学成分见下表。,奥氏体型耐热钢,GH132（A286）钢用来制造喷气发动机部件，有较高的高温度强度，可以在650700使用；对要求抗氧化而强度要求不高的零件，可以在850下长期工作，这种钢还具有好的热加工性和切削加工性。铬主要是提高钢的化学稳定性，控制在（Cr）=15%左右。钼主要起固溶强化作用。与这些铁素体形成元素相平衡，必须加入足够量的奥氏体形成元素镍，以获得稳定的奥氏体组织。再考虑形成-Ni3（Ti,Al）所需镍量（Ni）=25%。,奥氏体型耐热钢,钛和铝加入钢中主要是形成-Ni3（Ti,Al），经过时效处理产生沉淀强化。（Ti）要超过1.4%才能产生相。含钛高而含铝极低的钢，析出的相不稳定，会逐渐转变成简单六方结构的-Ni3（Ti,Al）。随钢中（Ti）提高到2.3%，-Ni3（Ti,Al）相数量增加，在700760时效可获得最大的强化效果。加入质量分数不超过0.40%的Al，是为了稳定-Ni3（Ti,Al）相，防止产生胞状沉淀-Ni3Ti。产生沉淀强化最适的钛含量为（Ti）=2.15%；当钛含量较高时，易产生缺口敏感性，除加入钼来改善外，还需要加入钒和硼才能消除。硼还能产生晶界强化并提高持久塑性。合适的硼含量为（B）=0.001%0.010%。铝控制在一定含量，主要是用来稳定钛的-Ni3（Ti,Al）相的面心立方体结构，保持沉淀强化作用。铝含量若过高，除形成外，还出现Ni2AlTi，其稳定性差，易聚集长大，不能做沉淀强化相。,奥氏体型耐热钢,硅是钢中的残存元素，含量（Si）=0.4%1.0%。当含硅量在上限时，钢中出现G相（Ni14Ti9Si6）,呈粗粒状，无沉淀强化作用，同时从钢中抽走了镍，提高了形成相和Fe2Ti相的倾向。硅和锰稍高时，出现以Fe2Ti为基础的（Te,Cr,Mn,Si）2(Ti,Mo)相。钢中是不希望出现上述两种情况相的，因此必须将硅和锰控制在下限范围。,奥氏体型耐热钢,通过热处理对GH132（A286）钢的显微组织和性能加以控制。固溶温度不能过高，防止晶粒长大，通常在9801000固溶，可获得合适的晶粒度，并使成分均匀，得到较高的室温伸长率、成型性和焊接性。时效温度在700760，可达到最大的强化效果。-Ni3（Ti,Al）以极小的球状颗粒分布在基体上，与基体保持共格。A286钢经927固溶4h，760时效200h的显微组织见右图。,奥氏体型耐热钢,冷变形量对固溶处理后晶粒大小有重要影响。为避免临界变形量（2%）导致再结晶晶粒的异常长大，冷变形量必须超过6，热加工变形量必须超过10。冷变形加速时效相的沉淀，并使得再服役时钢的组织稳定性差。为使冷变形量不均匀的零件在整个截面上都得到均匀的性能，采用两次时效工艺，第一次76016h，第二次70416h。薄板在固溶处理后经过冷变形，可直接进行二次时效。,奥氏体型耐