第六章 耐热钢与耐热合金

第六章耐热钢与耐热合金,第一节工作条件及性能要求,1.工作条件高温下承受载荷与高温蒸汽、空气、燃气接触表面发生氧化、腐蚀高温下原子扩散，引起组织转变,2.性能要求,良好的高温强度、塑性足够高的化学稳定性（1）高温强度高温强度三种指标：,蠕变：钢和合金在温度和应力作用下发生连续而缓慢的变形。组织变化是蠕变的内因蠕变强度：表示在某温度下，在规定时间达到规定变形时所承受的压力。持久强度：表示在规定温度、规定时间断裂所承受的压力。持久寿命：表示在规定温度、规定应力作用下拉断所需的时间。,（2）高温氧化,高温下钢与空气接触将发生氧化，生成氧化膜。575以下，钢表面生成Fe2O3和Fe3O4层。575以上，钢表面出现FeO层，中间层为Fe3O4，外表层为Fe2O3氧化膜的生成依靠离子扩散，由于铁离子半径比氧离子小，因而氧化膜的生成主要靠铁离子向外扩散。,当FeO出现时，钢的氧化速度剧增FeO为铁的缺位固溶体，铁离子有很高的扩散速率因而FeO层增厚很快，Fe2O3和Fe3O4层较薄,提高抗氧化性的关键是阻止FeO出现形成稳定而致密的氧化膜，使铁、氧离子的扩散速度减慢，并使膜与基体牢固结合添加合金元素,铬、铝、硅可以明显降低氧化速度，提高FeO出现的温度，改善钢的高温化学稳定性。1.03wCr可使FeO在600出现；1.14Si使FeO在750出现；1.1Al+0.4Si可使FeO在800出现。铬、铝可在钢表面生成FeOCr2O3或FeOAl2O3保护膜；硅可生成Fe2SiO4氧化膜，都具有良好的保护作用。,铬是提高抗氧化的主要元素，铝也具有较强的抗氧化能力，硅能增加脆性，加入量受到限制。钨、钼能降低钢的抗氧化能力，贴着金属生成MoO3和WO3，具有低熔点和高挥发性，破坏抗氧化能力。,耐热钢和耐热合金的抗氧化和气体腐蚀能力分为五级：腐蚀速度等级0.1mm/a完全抗氧化0.11.0mm/a抗氧化1.03.0mm/a次抗氧化3.010.0mm/a弱抗氧化10.0mm/a不抗氧化,第二节铁素体型耐热钢,根据显微组织，耐热钢可分为铁素体型和奥氏体型两大类。铁素体型耐热钢铁素体型耐热钢一般在350650范围工作,1.铁素体-珠光体耐热钢,多用于锅炉蒸汽管道，在450620蒸汽中长期使用。（1）强化方法固溶强化、沉淀强化（碳化物）固溶强化元素有钨、钼、铬。钨、钼能增强基体原子间结合强度，提高再结晶温度，显著提高基体的蠕变抗力。铬含量小于0.5时固溶强化作用较强，含量再增加则强化作用增加很少。,碳化物沉淀强化作用以MC型最高，M2C、M6C次之，M7C3型则降低钢的蠕变强度，原因是容易聚集长大。沉淀强化以铌、钛、钒为主，VC/TiC/NbC当V/C=4,Nb/C=8,Ti/C=3时，V、Ti、Nb与C全部形成MC，达到最佳的沉淀强化效果，具有最高的蠕变抗力。,当其比例小于各自的数值时，有剩余碳存在，与钨、钼形成M2C或M6C型碳化物。当其比例大于各自的数值时，过剩的V会降低基体的蠕变抗力；过剩的Nb、Ti与Fe形成AB2相，聚集长大速度较高，对蠕变强度不利。,（2）显微组织对蠕变强度的影响,热处理不同，显微组织不同。以12Cr1MoV钢为例。980奥氏体炉冷铁素体+珠光体空冷粒状贝氏体+少量铁素体、马氏体淬火马氏体,持久强度塑性铁素体+珠光体低高粒状贝氏体中低马氏体高中马氏体钢高持久强度的原因：钢淬火回火后，VC沉淀在位错上，阻碍再结晶。,2.马氏体耐热钢,以Cr12型钢居多，可做570汽轮机转子，可用于593、蒸汽压3087MPa的超临界压力大功率火力发电机组。Cr12型钢中加入钨、钼，只形成单一的(Cr、Mo、W、Fe)23C6，具有沉淀强化作用，消除了Cr7C3。加入钒或铌，析出VC或NbC，起沉淀强化作用。,第三节奥氏体型耐热钢,铁素体型耐热钢在600650下蠕变强度明显下降。奥氏体型耐热钢，具有面心立方结构，在650以上具有较高的高温强度。,1.碳化物沉淀强化耐热钢,沉淀强化相是MC型碳化物，以VC、NbC为主。当V、Nb与C的比例正好和VC、NbC的化学式相等时，具有最佳的高温强度。另一种碳化物M23C6，不起沉淀强化作用。,2.金属间化合物沉淀强化耐热钢,钛、铝、镍形成金属间化合物-Ni3(TiAl)，是主要沉淀强化相。-Ni3(TiAl)点阵常数与奥氏体相近，与奥氏体形成共格，产生沉淀强化。,w(Al)%,Al控制在一定含量，不超过0.40%。铝极低时，相不稳定，会转变成-Ni3Ti，胞状沉淀。铝含量若过高，还会出现Ni2AlTi相，其稳定性差，易聚集长大，不能做沉淀强化相。w(Ti)1.4%，才能产生相。,w(Ti)提高到2.32.4%，-Ni3(TiAl)相数量增加，可获得最大的强化效果。但当钛含量较高时，易产生缺口敏感性。产生沉淀强化最适宜的钛含量为2.15%。,第四节镍基耐热合金,铁基耐热合金的最高工作温度只能达到750850，在更高温度下使用的是镍基耐热合金。基体是Cr20Ni80，加入大量合金元素。1.沉淀强化相元素Al、Ti镍基耐热合金采用金属间化合物作为沉淀强化相，主要采用的是-Ni3(TiAl)相。,-Ni3(TiAl)相的稳定性与Al/Ti比有关。当Al/Ti小于1，就会出现-Ni3Ti相。因此，不仅要增加Al、Ti含量，还要增加Al/Ti比值，以增加相的稳定性。,-Ni3(TiAl)相对合金的强化表现在两方面，一是共格强化，二是反相畴界强化。共格强化：相与镍基固溶体有相同的点阵类型、相近的点阵常数，析出的相与固溶体形成共格。但相的点阵常数稍大于固溶体，形成共格界面时存在匹配差，因而在界面周围的固溶体中产生畸变应力。畸变应力场阻碍位错运动，提高了屈服强度。,反相畴界强化：在高Al/Ti比的镍基合金中，相的体积分数可高到6070。其沉淀强化主要靠相在位错切割时形成反相畴界强化。当位错切割相时，使滑移面上下的原子改变了原来有序的相邻关系，形成了新的高能量的反相畴界，位错的移动需要更大的外力。,2.固溶强化元素钨、钼、铬,铬还能明显提高抗氧化性。500700空气中表面生成致密的Cr2O3膜，在8001000，基体上是Cr2O3，外层是NiOCr2O3。具有尖晶石结构，很致密。3.杂质元素低熔点金属如铅、锑、锡、铋等，强烈降低晶界的强度、高温冲击韧性和高温塑性。,杂质元素偏聚