第六章耐热钢及高温合金

1、2021年11月22日星期一1 第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金2021年11月22日星期一2 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 6.2 6.2 金属的热强性金属的热强性 6.3 6.3 -Fe-Fe基热强钢基热强钢 6.4 6.4 -Fe-Fe基热强钢基热强钢2021年11月22日星期一32021年11月22日星期一42021年11月22日星期一52021年11月22日星期一62021年11月22日星期一72021年11月22日星期一82021年11月22日星期一96.1 6.1 钢的热稳定性和热稳

2、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20

3、21年11月22日星期一10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

4、热稳定性和热稳定性钢钢的热稳定性和热稳定性钢2021年11月22日星期一11一、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

5、。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11月22日星期一12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

6、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11月22日星期一13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 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11

7、001100。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 6.1 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11月22日星期一14二、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

8、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6.1 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11月22日星期一152021年11月22日星期一162021年11月22日星期一172021年11月22日星期一18牌号牌号典型钢种典型钢种应用应用第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金6.1 钢的钢的热稳定性和热稳定

9、性和热稳定性钢热稳定性钢2021年11月22日星期一19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：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7001000

10、/2 . 050010000第六章第六章 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金2021年11月22日星期一20一、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、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11月22日星期一2

11、1二、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

12、：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11月22日星期一222 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、Ti

13、CTiC、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6.1 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11月22日星期一232 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

14、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CrCr2323C C6 6 还有：还有：形变强化处理形变强

15、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11月22日星期一24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11月22日星期一

16、25一、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11月22日星期一26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）、热处理、用途和机械性能第六章第六章 耐热钢和高温合

17、金耐热钢和高温合金6.3 -Fe基热强钢基热强钢2021年11月22日星期一27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，脆断； 措施：加措施：加CrCr、TiTi、NbNb元素阻碍元素阻

18、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11月22日星期一28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

19、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11月22日星期一29二、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，牌号有牌号有1414Cr11MoVCr11MoV（1Cr11MoV1Cr11MoV）、）、1

20、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11月22日星期一30v中碳铬硅钢，中碳铬硅钢，42Cr9Si2(4Cr9Si2,0.350.50%C)、40Cr10Si2Mo(4,0.350.45%C)等，既有良好的高等，既有良好的高温抗氧化性和热强性，还有较高的硬度

21、和耐磨性，温抗氧化性和热强性，还有较高的硬度和耐磨性，最适合于制造工作温度在最适合于制造工作温度在750以下以下的发动机排气的发动机排气阀，故又称阀，故又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态下使用淬火形成马氏体高温回火状态下使用-回火回火T或回火或回火S6.3 -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11月22日星期一31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 耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金6.3 -Fe基热强钢基热强钢6.4 -Fe基热强钢基热强钢2021年11月22日星期一33 在奥氏体不锈钢的基础上加：

22、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 5Cr14Ni14W2MoCr14Ni14W2Mo(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11月22日星期一34奥氏体热强钢：奥氏体热强钢：一、固溶强化型一、固溶强