耐热钢及高温合金

1、2021年7月12日星期一 6.1 6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢钢的热稳定性和热稳定性钢 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 耐热钢：耐热钢：高温下高温下具有高的具有高的热化学稳定性热化学稳定性( (抗腐抗腐 蚀和耐腐蚀性能蚀和耐腐蚀性能) )和和热强性热强性的特殊钢。的特殊钢。 种类：种类： 1 1、热稳定钢、热稳定钢 高温下抗氧化或抗高温介质腐高温下抗氧化或抗高温介质腐 蚀而不破坏的钢种。蚀而不破坏的钢种。 2 2、热强钢、热强钢 高温下具有一定抗氧化能力并具高温下具有一定抗氧化能力并具 有足够强度而不产生大量变形或断裂的钢种。有足够强度而不产生大量变形或断裂的钢种。 失效

2、形式：失效形式：高温下强度不足、表面氧化腐蚀高温下强度不足、表面氧化腐蚀 2021年7月12日星期一 服役条件：服役条件：高温下工作高温下工作（影响化学稳定性、降强度）（影响化学稳定性、降强度） 性能要求：性能要求： 1 1、抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化能力、抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化能力 2 2、介质中抗腐蚀能力和足够韧性、介质中抗腐蚀能力和足够韧性 3 3、良好加工性能和焊接性、良好加工性能和焊接性 4 4、合理的组织稳定性、合理的组织稳定性 用用 途：途：制造工业加热炉、制造工业加热炉、 热工动力机械（如内燃机）、热工动力机械（如内燃机）、 石油及化工机械与设备等。石油

3、及化工机械与设备等。 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.1 6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢钢的热稳定性和热稳定性钢 2021年7月12日星期一 一、钢的抗氧化性能及其提高途径一、钢的抗氧化性能及其提高途径 失效：失效：高温下强度不足、表面氧化腐蚀高温下强度不足、表面氧化腐蚀 要求：要求：较好的热稳定性较好的热稳定性 热稳定性：热稳定性：钢在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀钢在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀 的能力；的能力； 指标：指标：g/mg/m2 2. .单位时间、单位面积上的氧化后质量单位时间、单位面积上的氧化后质量 增加或减少的数值表示。增加或减少的数值表示。 在其他条件

4、相同时，减少质量或增加质量的程度在其他条件相同时，减少质量或增加质量的程度 越小，热稳定性越高。越小，热稳定性越高。 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢钢的热稳定性和热稳定性钢 2021年7月12日星期一 氧化机理：氧化机理： 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢钢的热稳定性和热稳定性钢 。 2021年7月12日星期一 铁氧化物铁氧化物：FeOFeO、FeFe2 2O O3 3、FeFe3 3O O4 4（致密）（致密） 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢钢的

5、热稳定性和热稳定性钢 FeOFeO氧化物：氧化物：FeFe缺位固溶体，缺位固溶体，FeFe离子通离子通 过过FeOFeO层易扩散，即易氧化层易扩散，即易氧化 抗氧化措施：抗氧化措施： 防止防止FeOFeO形成；形成； 提高其形成温度；提高其形成温度； 加入合金元素加入合金元素CrCr、AlAl、SiSi形成其致密牢形成其致密牢 固氧化物，防止固氧化物，防止FeFe、O O原子扩散原子扩散 AlAl、SiSi加入有副作用，降强度增脆性加入有副作用，降强度增脆性 2021年7月12日星期一 在钢表面生成致密稳定连续而牢固的在钢表面生成致密稳定连续而牢固的CrCr2 2O O3 3、AlAl2 2O

6、 O3 3、 SiOSiO2 2氧化膜，但氧化膜，但AlAl、SiSi明显增加钢的脆性，常与明显增加钢的脆性，常与CrCr一一 起加入；当起加入；当CrCr达达5 5时，工作温度达时，工作温度达600600650650，达，达2828 时，工作温度可达时，工作温度可达11001100。 微量稀土微量稀土( (RE)RE)元素如钇元素如钇( (Y)Y)、镧、镧( (La)La)等，能防止高温等，能防止高温 晶界的优先氧化，明显改善耐热钢的抗氧化性。晶界的优先氧化，明显改善耐热钢的抗氧化性。 金属表面渗金属表面渗CrCr、AlAl、SiSi也有效提高钢抗氧化性。也有效提高钢抗氧化性。 6.1 6.

7、1 钢的热稳定性和热稳定性钢钢的热稳定性和热稳定性钢 5 特殊性能钢第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 2021年7月12日星期一 二、热稳定钢（抗氧化钢，不起皮钢）二、热稳定钢（抗氧化钢，不起皮钢） 种类：种类： F F型热稳定钢、型热稳定钢、A A型热稳定钢型热稳定钢 F F型热稳定性钢：型热稳定性钢：Cr13Cr13、Cr18Cr18、Cr25Cr25 型型 A A型热稳定性钢：型热稳定性钢：A A型不锈钢加型不锈钢加SiSi、AlAl 而得而得 性能：性能：后者较前者更好的工艺性能和热后者较前者更好的工艺性能和热 强性强性 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6

8、.1 钢的热稳定性和热稳定性钢钢的热稳定性和热稳定性钢 2021年7月12日星期一 牌号牌号 典型钢种典型钢种 应用应用 热处理工艺？热处理工艺？ 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.1 钢的钢的 热稳定性和热稳定性和 热稳定性钢热稳定性钢 2021年7月12日星期一 高温力学性能指标：高温力学性能指标： 蠕变极限：蠕变极限：材料在高温长期载荷下对缓慢材料在高温长期载荷下对缓慢 塑性变形（即蠕变）的抗力；以塑性变形（即蠕变）的抗力；以 表示表示 700 700下经下经10001000h h产生产生0.2%0.2%残余变形量的最大残余变形量的最大 应力。应力。 持久强度：持久强度

9、：材料在高温长期载荷下对断裂的材料在高温长期载荷下对断裂的 抗力；以抗力；以 表示在表示在500500下经下经1000010000h h发生发生 断裂的应力值。断裂的应力值。 6.2 金属的热强性金属的热强性 5 特殊性能钢 700 1000/2 . 0 500 10000 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 2021年7月12日星期一 一、高温下金属材料力学性能特点一、高温下金属材料力学性能特点 热强性：热强性： 高温和载荷下抵抗塑性变形能力高温和载荷下抵抗塑性变形能力 包括：高温下瞬时性能和长时性能包括：高温下瞬时性能和长时性能 瞬时性能：瞬时性能：高温拉伸、冲击、硬度高温拉伸

10、、冲击、硬度 长时性能：长时性能：蠕变极限、持久强度、应力松弛、蠕变极限、持久强度、应力松弛、 高温疲劳强度、冷热疲劳等高温疲劳强度、冷热疲劳等 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.2 金属的热强性金属的热强性 2021年7月12日星期一 二、耐热钢热强性的影响因素及其提高途径二、耐热钢热强性的影响因素及其提高途径 1 1、影响耐热钢热强性的因素、影响耐热钢热强性的因素 A A、软化因素、软化因素 温升，原子结合力下降，扩散系数加大，组温升，原子结合力下降，扩散系数加大，组 织由亚稳定态向稳态转变。如第二相集聚长大等织由亚稳定态向稳态转变。如第二相集聚长大等 B B、形变断裂方

11、式变化、形变断裂方式变化 低温滑移；高温有滑移、扩散变形、晶界低温滑移；高温有滑移、扩散变形、晶界 滑动和迁移滑动和迁移 C C、断裂失效、断裂失效 金属金属常温断裂常温断裂：穿晶断裂（晶内强度大于晶界强度）穿晶断裂（晶内强度大于晶界强度） 金属金属高温断裂高温断裂：晶间断裂（原子扩散加速）晶间断裂（原子扩散加速） 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.2 金属的热强性金属的热强性 2021年7月12日星期一 2 2、提高钢的热强性途径、提高钢的热强性途径 基体基体( (固溶固溶) )强化强化元素元素CrCr、NiNi、W W、MnMn、MoMo、NbNb等，形成单相组等，形成单

12、相组 织并提高再结晶温度。织并提高再结晶温度。 原理：原理：提高原子结合力，降低扩散系数提高原子结合力，降低扩散系数 第二相沉淀强化第二相沉淀强化元素元素V V、TiTi、NbNb、AlAl等，形成细小弥散分布的等，形成细小弥散分布的 稳定碳化物稳定碳化物( (VCVC、TiCTiC、NbCNbC) )或稳定性更高的金属间化合物或稳定性更高的金属间化合物( (NiNi3 3TiTi、 NiNi3 3NbNb、NiNi3 3AlAl) )，获得第二相沉淀强化效果并提高组织稳定性。，获得第二相沉淀强化效果并提高组织稳定性。 原理：原理：长时间稳定难长大，高温弥散态长时间稳定难长大，高温弥散态 6.

13、1 6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢钢的热稳定性和热稳定性钢 5 特殊性能钢 6.2 金属的热强性金属的热强性 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 2021年7月12日星期一 2 2、提高钢的热强性途径、提高钢的热强性途径 晶界强化晶界强化 减少高温下晶界转动减少高温下晶界转动 途径：途径： 减少晶界：减少晶界：控制钢晶粒度（难滑移，塑变抗力提高）控制钢晶粒度（难滑移，塑变抗力提高） 净化晶界净化晶界：微量元素硼：微量元素硼(B)(B)与稀土与稀土(RE)(RE)元素，高熔点晶核，元素，高熔点晶核， 长大进入晶内，起净化晶界。长大进入晶内，起净化晶界。 晶界空位填补晶界空位填补：晶

14、界易扩散，加：晶界易扩散，加B B、TiTi、ZrZr等填充晶界空位等填充晶界空位 晶界沉淀强化晶界沉淀强化：晶界析出强化相，塑变滑移和断裂扩展受：晶界析出强化相，塑变滑移和断裂扩展受 阻，热强性提高，如析出阻，热强性提高，如析出CrCr23 23C C6 6 还有：还有：形变强化处理形变强化处理 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.2 金属的热强性金属的热强性 2021年7月12日星期一 种类：种类：P P型热强钢、型热强钢、M M型热强钢型热强钢 特点：特点：加热或冷却时，加热或冷却时，、相间互转变，相间互转变， 中温使用，热强性、热稳定性、工艺性能中温使用，热强性、热稳定

15、性、工艺性能 较好、线膨胀系数小，低碳、低廉，较好、线膨胀系数小，低碳、低廉，600-600- 650650使用；使用； 应用：应用：制造锅炉、汽轮机、石油提炼设备等制造锅炉、汽轮机、石油提炼设备等 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.3 -Fe基热强钢基热强钢 2021年7月12日星期一 一、珠光体型热强钢一、珠光体型热强钢 分类（分类（C C含量）含量）：低碳：低碳P P热强钢、中碳热强钢、中碳P P热强钢热强钢 低碳低碳P P热强钢热强钢：锅炉管道等；：锅炉管道等； 中碳中碳P P热强钢热强钢：汽轮机等耐热紧固件、转子。：汽轮机等耐热紧固件、转子。 失效：失效：常时间高温

16、工作常时间高温工作+ +介质腐蚀，产生组织转变和介质腐蚀，产生组织转变和 性能变化性能变化 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.3 -Fe基热强钢基热强钢 2021年7月12日星期一 组织：细片组织：细片P PF F，在，在600600以下工作以下工作的热工动力机械和的热工动力机械和 石油化工设备。碳石油化工设备。碳0.10%0.10%0.40%0.40%；耐热性合金元素；耐热性合金元素CrCr、 MoMo、W W、V V、TiTi、NbNb等强化铁素体并防止碳化物的球化等强化铁素体并防止碳化物的球化 聚集长大以保证热强性。聚集长大以保证热强性。 低碳低碳1212CrMoCrM

17、o、15CrMoV15CrMoV，优良的冷热加工性能，主要，优良的冷热加工性能，主要 用做锅炉管线等，用做锅炉管线等，正火后使用正火后使用。 中碳中碳3535CrMoCrMo、35CrMoV35CrMoV，调质后使用调质后使用，具有优良的高，具有优良的高 温综合力学性能，用作耐热的紧固件和汽轮机转子。温综合力学性能，用作耐热的紧固件和汽轮机转子。 6.1 6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢钢的热稳定性和热稳定性钢 5 特殊性能钢第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.3 -Fe基热强钢基热强钢 2021年7月12日星期一 热强钢的成分（牌号）、热处理、用途和机械性能热强钢的成分（牌号

18、）、热处理、用途和机械性能 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.3 -Fe基热强钢基热强钢 2021年7月12日星期一 失效原因：失效原因： 1 1、珠光体球化和碳化物集聚长大、珠光体球化和碳化物集聚长大 机理：长时间高温工作，片状碳化物球化，小颗机理：长时间高温工作，片状碳化物球化，小颗 粒集聚成大颗粒，组织软化，亚稳态向稳定态转变，粒集聚成大颗粒，组织软化，亚稳态向稳定态转变， C C原子扩散完成。原子扩散完成。 2 2、钢石墨化、钢石墨化 机理：机理：FeFe3 3C C分解分解FeFe和和G G的过程，石墨即小裂纹，降的过程，石墨即小裂纹，降 机械性能，脆断；机械性能，

19、脆断； 措施：加措施：加CrCr、TiTi、NbNb元素阻碍元素阻碍C C化。化。 3 3、合金元素的再分布、合金元素的再分布 机理：高温下机理：高温下MeMe向碳化物扩散集聚，基体向碳化物扩散集聚，基体MeMe贫化，贫化， 热强性下降。热强性下降。 措施：加强碳化物形成元素措施：加强碳化物形成元素TiTi、V V、NbNb等。等。 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.3 6.3 -Fe-Fe基热强钢基热强钢 2021年7月12日星期一 失效原因：失效原因： 4 4、热脆性、热脆性 机理：高温长时工作，韧性大幅下降，脆性机理：高温长时工作，韧性大幅下降，脆性 断裂，即热脆性，析

20、出新相断裂，即热脆性，析出新相 措施：避开脆性区工作，加措施：避开脆性区工作，加W W、MoMo，已发生，已发生 脆性采用脆性采用600-650600-650高温回火快冷消除高温回火快冷消除 珠光体热强钢热处理：珠光体热强钢热处理： 正火正火+ +比使用温度高比使用温度高100100下的高温回火下的高温回火 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.3 -Fe基热强钢基热强钢 2021年7月12日星期一 二、马氏体热强钢二、马氏体热强钢 低碳高铬型，低碳高铬型，Cr13Cr13型不锈钢加入型不锈钢加入 MoMo、W W、V V、TiTi、NbNb等元素而形成，等元素而形成， 牌号有牌

21、号有1414Cr11MoVCr11MoV（1Cr11MoV1Cr11MoV）、）、 1 15 5Cr12WMoVCr12WMoV（12Cr12WMoV)12Cr12WMoV)等等, ,因这因这 种钢还有优良的消振性，最适宜种钢还有优良的消振性，最适宜 制造工作温度在制造工作温度在600600以下以下的汽的汽 轮叶片，故又称轮叶片，故又称叶片钢叶片钢。 6.3 -Fe基热强钢基热强钢 5 特殊性能钢第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 汽轮机叶片汽轮机叶片 2021年7月12日星期一 v中碳铬硅钢，中碳铬硅钢， 42Cr9Si2(4Cr9Si2,0.350.50%C)、 40Cr10S

22、i2Mo(4,0.350.45%C)等，既有等，既有 良好的高温抗氧化性和热强性，还有较良好的高温抗氧化性和热强性，还有较 高的硬度和耐磨性，最适合于制造工作高的硬度和耐磨性，最适合于制造工作 温度在温度在750以下以下的发动机排气阀，故又的发动机排气阀，故又 称称排气阀钢排气阀钢。 v热处理：热处理：淬火形成马氏体高温回火状淬火形成马氏体高温回火状 态下使用态下使用-回火回火T或回火或回火S 6.3 -Fe基热强钢基热强钢 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 2021年7月12日星期一 马马 氏氏 体体 热热 强强 钢钢 钢钢 种种 与与 应应 用用 第六章第六章 耐热钢和高温合

23、金耐热钢和高温合金 6.3 -Fe基热强钢基热强钢 2021年7月12日星期一 在奥氏体不锈钢的基础上加：在奥氏体不锈钢的基础上加：W W、MoMo、V V、TiTi、NbNb、 AlAl等，强化奥氏体并能形成稳定的特殊碳化物或金属间等，强化奥氏体并能形成稳定的特殊碳化物或金属间 化合物。具有比珠光体热强钢和马氏体热强钢更高的热化合物。具有比珠光体热强钢和马氏体热强钢更高的热 强性和抗氧化性，此外还有高的塑性、韧性及良好可焊强性和抗氧化性，此外还有高的塑性、韧性及良好可焊 性、冷塑性成形性。性、冷塑性成形性。 常用常用0707Cr18Ni1Cr18Ni11 1TiTi、4 45 5Cr14Ni

24、14W2MoCr14Ni14W2Mo(4,0.400.50)(4,0.400.50) 等，用于工作等，用于工作高达高达800800的各类的各类紧固件与汽轮机叶片、紧固件与汽轮机叶片、 发动机气阀发动机气阀，使用状态为固溶处理状态或时效处理状态。，使用状态为固溶处理状态或时效处理状态。 二、耐热钢（常用耐热钢二、耐热钢（常用耐热钢_ _奥氏体）奥氏体）6.4 -Fe基热强钢基热强钢 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 2021年7月12日星期一 奥氏体热强钢：奥氏体热强钢： 一、固溶强化型一、固溶强化型 二、碳化物沉淀强化型二、碳化物沉淀强化型 三、金属间化合物强化型三、金属间化合物

25、强化型 掌握：掌握：化学成分、牌号、 热处理工艺、机械性能、应用 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.4 -Fe基热强钢基热强钢 过热器管排过热器管排 过热器集箱过热器集箱 2021年7月12日星期一 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 6.3 -Fe基热强钢基热强钢 2021年7月12日星期一 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 2021年7月12日星期一 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 2021年7月12日星期一 航空、航天工业的喷气式发动机在航空、航天工业的喷气式发动机在800800以上以上的高温的高温 下长期承受一定的载荷工作，耐

26、热钢已不能满足抗氧化下长期承受一定的载荷工作，耐热钢已不能满足抗氧化 性尤其是热强性要求，此时便应采用高温合金，它包括性尤其是热强性要求，此时便应采用高温合金，它包括 铁基、镍基、钴基铁基、镍基、钴基。 1. 1.铁基高温合金铁基高温合金 工作温度工作温度800800900900的零件，使用的零件，使用 状态为固溶或固溶时效。常用牌号如状态为固溶或固溶时效。常用牌号如GH1131GH1131，Cr20Cr20、 Ni28%Ni28%、W5W5、Mo4Mo4左右。左右。 2. 2.镍基高温合金镍基高温合金 基本性能类似于铁基高温合金，但基本性能类似于铁基高温合金，但 热强性和组织稳定性稍优；但价

27、格昂贵。如热强性和组织稳定性稍优；但价格昂贵。如GH3030GH3030， Cr20Cr20、微量的、微量的TiTi、AlAl等元素。等元素。10001000左右左右 二、耐热钢（常用耐热钢二、耐热钢（常用耐热钢_ _高温合金）高温合金） 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 2021年7月12日星期一 耐磨钢：耐磨钢： 用于制造高耐磨性零件的特用于制造高耐磨性零件的特 殊钢种；殊钢种； 广义上，高碳工具钢、一部广义上，高碳工具钢、一部 分结构钢及合金铸钢均可用分结构钢及合金铸钢均可用 于制造耐磨零件；于制造耐磨零件； 最重要的是：最重要的是：高锰耐磨钢高锰耐磨钢。 三、耐磨钢三、耐

28、磨钢 5 特殊性能钢 颚式破碎机颚式破碎机 挖掘机挖掘机 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 2021年7月12日星期一 三、耐磨钢三、耐磨钢 5 特殊性能钢 球磨机衬板球磨机衬板 挖掘机铲齿挖掘机铲齿 铁路道岔铁路道岔 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 2021年7月12日星期一 三、耐磨钢三、耐磨钢 5 特殊性能钢 球磨机球磨机 用用 于：于：大型水泥厂，耐火材料厂，冶炼厂，把颗大型水泥厂，耐火材料厂，冶炼厂，把颗 粒研磨成粉状，以利于提取里边所需的矿物质。粒研磨成粉状，以利于提取里边所需的矿物质。 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 2021年7月1

29、2日星期一 化学成分：化学成分：高碳高碳( (0.9%0.9%1.5%)1.5%)、高锰、高锰( (11111414) )。 ZGMn13ZGMn13。 铸态组织：铸态组织：粗大粗大A AFeFe3 3C C网 网，脆性大，不直接使用。 ，脆性大，不直接使用。 固溶处理：固溶处理：（1060106011001100水冷）后可得到单相水冷）后可得到单相A A， 此时韧性很高此时韧性很高( (故又称故又称“水韧处理水韧处理”) )。 加工硬化：加工硬化：( (AM)AM)形成硬形成硬( (500500HBW)HBW)而耐磨的表面而耐磨的表面 层层(10(102020mm)mm)，心部为高韧性的，心部为高韧性的A A。 主要用途：主要用途：坦克、拖拉机、挖掘机的履带板、破碎坦克、拖拉机、挖掘机的履带板、破碎 机衬板、铁路道岔等。机衬板、铁路道岔等。 三、耐磨钢（高锰钢）三、耐磨钢（高锰钢） 5 特殊性能钢第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 2021年7月12日星期一 6.1 6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢钢的热稳定性和热稳定性钢 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金 耐热钢：耐热钢：高温下高温下具有高的具有高的热化学稳定性热化学稳定性( (抗腐抗腐 蚀和耐腐蚀性能蚀和耐腐蚀性能) )和和热强性热强性的特殊钢。的特殊钢。 种类：种类