耐热钢和耐热合金课件

随着近年来能源工业的发展，耐热材料的使用正在向高温、高压和大型化方向发展，对材料的要求越来越高，从而促进了材料的改进和开发研究。第7章耐热钢和耐热合金7.1概述高温下的破坏往往也是一种腐蚀破坏，耐热钢与耐热合金也应属于耐蚀材料。耐热钢与耐热合金是应用范围其广的一类金属材料，涉及火力发电用锅炉，发动机、化工装置及原子能设备等领域。随着近年来能源工业的发展，耐热材料的使用正在向高温、13、主要破坏形式有氧化、变形、断裂（区别于电化学腐蚀）注：高温破坏的特点：1、高温2、气体环境3、主要破坏形式有氧化、变形、断裂（区别于电化学腐蚀）注：高2在高温下有较好的抗氧化性且具有一定强度的钢种。这类钢多属于铁素体耐热钢。7.1.1耐热钢的分类：1、按性能分：⑴抗氧化钢（耐热不起皮钢）⑵热强钢在高温下有一定的抗氧化性，兼有较高的强度及良好的组织稳定性的钢种。在高温下有较好的抗氧化性且具有一定强度的钢种。这类钢多属于铁32、按组织分类：⑴珠光体耐热钢----在正火状态下显微组织由珠光体加铁素体组成的一类钢。特点：③工艺性、可焊性好。②在500～600℃以下具有良好的热强性；①一般属于低合金耐热钢（合金元素含量﹤5%）；2、按组织分类：⑴珠光体耐热钢----在正火状态下显微组织4在600℃以下具有较好的热强性，650℃时有较好的抗氧化性。⑵马氏体耐热钢----含铬量在13%左右的铬钢，其正火组织为马氏体。特点：为了改善热强性，有时添加少量Mo，W，V，Nb等元素。在600℃以下具有较好的热强性，650℃时有较好的抗氧化性。5③可焊性差，热脆性倾向较大。⑶铁素体耐热钢----具有单相铁素体组织的耐热钢。特点：①含有较高的Cr和一定量的Si，Al；②具有较好的抗氧化性；③可焊性差，热脆性倾向较大。⑶铁素体耐热钢----具有单相铁6②具有较高的高温强度（通过合金碳化物，金属间化合物强化）⑷奥氏体耐热钢----具有单相奥氏体组织的耐热钢。特点：①含有较高的Ni，Mn，N等元素；③具有一定的抗氧化能力。②具有较高的高温强度（通过合金碳化物，金属间化合物强化）⑷奥7内燃机气阀一般在300～400℃下工作，排气阀温度可达750℃。3、按用途分：⑴锅炉用钢；⑵发动机用钢；⑶气阀用钢；内燃机气阀一般在300～400℃下工作，排气阀温度可达7508由于原子能反应堆的形式不同，反应堆中心材料和结构材料承受的温度也不同，由于处于中子的辐射下工作，所以不仅要有足够的高温强度，而且对应力腐蚀的敏感性要小，产生脆化和脱碳的倾向小。⑷化工用耐热材料；主要用于石油精炼和石油化工中的高温装置，温度在350～900℃。⑸原子能用耐热材料由于原子能反应堆的形式不同，反应堆中心材料和结构材料97.1.2耐热合金的分类：耐热合金也称高温合金，已经超出碳钢范畴的材料。但因存在脆性敏感性问题尚难克服，故仍处于研制阶段。1、铁基合金主要特点：含有50%左右的铁和相当高的Cr、Ni成份以及其它强化元素。7.1.2耐热合金的分类：耐热合金也称高温合金，已经10特点：含C、N少，硬化能力差。主要依靠W、Mo、铌等难溶元素以强化固溶体。⑴弱时效硬化型合金⑵固溶强化型合金特点：①Cr、Ni含量高（Cr﹥20%，Ni25～40%），抗氧化力强。②加入W、Mo、Nb及少量的Al、Ti、N等起固溶强化。③具有良好的加工性能。④使用温度高达800～900℃。特点：含C、N少，硬化能力差。主要依靠W、Mo、铌等11特点：（1）含有较高的Al、Ti、Nb等元素，以金属间化合物形式实现时效硬化。（2）具有较高的热强性和一定的抗氧化性。⑶碳化物时效硬化合金特点：含碳量高，使用温度为600～650℃。⑷金属间化合物时效硬化型合金特点：⑶碳化物时效硬化合金特点：含碳量高，使用温度为600～12特点：①具有优良的抗腐蚀和抗热疲劳性能；但其抗氧化能力通常比大多数镍基合金要差。②组织稳定，热膨胀系数低，使用寿命长；③价格高（Co为稀缺元素），使用受到限制。2、镍基合金特点：以镍为主，含有相当高的Cr。种类：固溶强化型，金属间化合物强化。3、钴基合金特点：2、镍基合金特点：以镍为主，含有相当高的Cr。种类：固137.2耐热钢与耐热合金的主要性能耐热材料的性能要求，最基本有以下两方面：高温下的力学性能和材料在使用环境下的组织稳定性与化学稳定性。7.2耐热钢与耐热合金的主要性能耐热材料的性能要14----在给定温度下，材料在规定时间内发生断裂的应力。或者说在恒定温度和试验时间内的最大拉伸负荷。7.2.1高温强度高温下的力学性能是评定耐热钢和耐热合金质量的基本指标。1、高温持久强度----在给定温度下，材料在规定时间内发生断裂的应力。或者说15蠕变极限---在给定的温度下和规定的时间内，试样产生一定量蠕变总变形的应力值。2、高温蠕变强度蠕变---指金属材料在一定温度下，即使所承受的应力远低于屈服极限，也会随时间的增长而慢慢地产生永久塑性变形的现象。蠕变极限---在给定的温度下和规定的时间内，试样产生16应力松弛是紧固件在高温时重要特性之一。应力松弛的主要条件：ξ0=ξ弹+ξ塑=常数ξ0----总变形；ξ弹----弹性变形；ξ塑----塑性变形。7.2.2应力松弛性能1、定义和条件应力松弛----金属在高温和压力状态下，如果维持总变形量不变，而随着时间的延长，应力则逐渐减少，这种现象称作应力松弛。应力松弛是紧固件在高温时重要特性之一。应力松弛的主要172、松弛现象的应力--时间曲线原因：晶粒内部镶嵌块的转动和移动造成的。应力时间原因：一般认为第一阶段松弛发生在晶界上，由晶界的扩散过程引起的。第一阶段：应力随时间延长而急剧下降。第二阶段：应力下降逐渐缓慢，并趋于稳定2、松弛现象的应力--时间曲线原因：晶粒内部镶嵌块的转动和移18组织的稳定性----指在给定的工作环境和使用期限内，组织不发生或发生不明显的变化，以确保材料高温性能的稳定性。组织稳定性是评价和选用耐热钢和耐热合金的一项重要指标。7.2.3组织的稳定性组织的稳定性----指在给定的工作环境和使用期限内，191、高温组织变化的类型：防止措施：加强碳化物形成元素，如：Cr，V、Ti、Nb等，或限制促进石墨化的元素，如：Ni、Si、Al等。⑴石墨化：在长期高温应力作用下，珠光体中的Fe3C分解为游离石墨。危害：一旦发生游离石墨，脆性增加，强度、塑性明显降低。（如锅炉钢管脆性爆裂）1、高温组织变化的类型：防止措施：加强碳化物形成元素，如：C20奥氏体耐热钢在高温下长期使用，会产生片状的有害相（多为金属间的化合物），大大降低力学性能。⑵渗碳体的球化与α固溶体中合金元素的贫化。在高温下，珠光体耐热钢中的片状渗碳体的球化和α固溶体中合金元素的贫化，导致钢的高温性能恶化。⑶碳化物的分解、析出和转变。危害：使合金持久强度和塑性降低，缺口敏感性增加。⑷有害相的产生奥氏体耐热钢在高温下长期使用，会产生片状的有害相（多为金属间21是高温气体（O2、H2O、CO2、S2、SO2等）与金属发生氧化反应的过程。7.2.4高温氧化与热腐蚀。1、高温氧化：⑴高温氧化的实质：反应形式：Me（金属）+1/2O2→MeOMe（金属）+1/2S2→MeS是高温气体（O2、H2O、CO2、S2、SO2等）22在570℃以下，氧化层由Fe3O4和Fe2O3组成，570℃以上氧化层由FeO、Fe3O4和Fe2O3组成⑵钢的高温氧化结果：钢在高温下的氧化可以形成三种氧化物：FeO、Fe3O4、Fe2O3。在570℃以下，氧化层由Fe3O4和Fe2O3组成，5723在高温氧化过程中，氧化膜的内部存在着铁原子与氧原子的双向扩散。氧原子通过氧化膜进入钢的内部，而铁原子则向相反的方向扩散到氧化膜内，与氧结合变为氧化物。⑶钢的氧化生长在高温氧化过程中，氧化膜的内部存在着铁原子与氧原子24根本途径是在钢的表面形成化学稳定性强、组织致密的氧化膜。主要措施：加入大量合金元素，如：Cr、Al、Si形成Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜。⑷影响高温氧化性的因素关键是金属表面形成的氧化物的性质。如果这一层是疏松的，氧化过程会不断进行；如果外层是致密的，就可以提高钢的抗氧化性。⑸提高钢抗高温氧化性的途径。根本途径是在钢的表面形成化学稳定性强、组织致密的氧化膜。⑷影25②使用表面防护层。如：金属扩散涂层、陶瓷涂层。2、热腐蚀⑵危害：使合金表面本来具有的保护作用的氧化物质遭受破坏，从而加剧腐蚀。⑶防止措施：热腐蚀--是指钢或合金在硫酸钠、氯化钠、五氧化二钒等沉积物和热燃气共同作用下所产生的破坏。在760～1000℃温度范围内，这种腐蚀特别严重。①控制或排出燃料或燃烧空气中的有害杂质，特别是Na，S；②使用表面防护层。如：金属扩散涂层、陶瓷涂层。2、热腐蚀⑵危26钢种（主要是Cr-Si-Al）是提高钢抗氧化能力的主要元素，这些元素能使钢表面形成致密的氧化膜，以阻碍金属离子和氧的传质过程。7.3其他耐热钢和耐热合金7.3.1抗氧化钢抗氧化钢也称耐热不起皮钢，多属于铁素体与奥氏体钢。特点：具有良好的抗氧化性，且有一定的高温强度。钢种（主要是Cr-Si-Al）是提高钢抗氧化能力的主要元素，27特点：加入Cr、Mo、W以及强碳化物形成元素V、Ti、Nb等能有效提高热强性和抗氧化能力。7.3.2热强钢在高温下有较高强度和一定抗氧化能力的合金钢称热强钢。主要钢种：Cr种，Mo钢，Cr-Mo钢，18-8钢特点：加入Cr、Mo、W以及强碳化物形成元素V、Ti28

7.3.3高温合金能在高温（600～1100℃）氧化性气氛和燃气腐蚀条件下，长期承受较大应力的合金材料。应用：是现在航空发动机，火箭发动机以及燃气轮机必不可少的金属材料。钢种：主要是高Cr、Ni、加Mo、W等。7.3.3高温合金能在高温（600～1100℃）氧化性气氛和29随着近年来能源工业的发展，耐热材料的使用正在向高温、高压和大型化方向发展，对材料的要求越来越高，从而促进了材料的改进和开发研究。第7章耐热钢和耐热合金7.1概述高温下的破坏往往也是一种腐蚀破坏，耐热钢与耐热合金也应属于耐蚀材料。耐热钢与耐热合金是应用范围其广的一类金属材料，涉及火力发电用锅炉，发动机、化工装置及原子能设备等领域。随着近年来能源工业的发展，耐热材料的使用正在向高温、303、主要破坏形式有氧化、变形、断裂（区别于电化学腐蚀）注：高温破坏的特点：1、高温2、气体环境3、主要破坏形式有氧化、变形、断裂（区别于电化学腐蚀）注：高31在高温下有较好的抗氧化性且具有一定强度的钢种。这类钢多属于铁素体耐热钢。7.1.1耐热钢的分类：1、按性能分：⑴抗氧化钢（耐热不起皮钢）⑵热强钢在高温下有一定的抗氧化性，兼有较高的强度及良好的组织稳定性的钢种。在高温下有较好的抗氧化性且具有一定强度的钢种。这类钢多属于铁322、按组织分类：⑴珠光体耐热钢----在正火状态下显微组织由珠光体加铁素体组成的一类钢。特点：③工艺性、可焊性好。②在500～600℃以下具有良好的热强性；①一般属于低合金耐热钢（合金元素含量﹤5%）；2、按组织分类：⑴珠光体耐热钢----在正火状态下显微组织33在600℃以下具有较好的热强性，650℃时有较好的抗氧化性。⑵马氏体耐热钢----含铬量在13%左右的铬钢，其正火组织为马氏体。特点：为了改善热强性，有时添加少量Mo，W，V，Nb等元素。在600℃以下具有较好的热强性，650℃时有较好的抗氧化性。34③可焊性差，热脆性倾向较大。⑶铁素体耐热钢----具有单相铁素体组织的耐热钢。特点：①含有较高的Cr和一定量的Si，Al；②具有较好的抗氧化性；③可焊性差，热脆性倾向较大。⑶铁素体耐热钢----具有单相铁35②具有较高的高温强度（通过合金碳化物，金属间化合物强化）⑷奥氏体耐热钢----具有单相奥氏体组织的耐热钢。特点：①含有较高的Ni，Mn，N等元素；③具有一定的抗氧化能力。②具有较高的高温强度（通过合金碳化物，金属间化合物强化）⑷奥36内燃机气阀一般在300～400℃下工作，排气阀温度可达750℃。3、按用途分：⑴锅炉用钢；⑵发动机用钢；⑶气阀用钢；内燃机气阀一般在300～400℃下工作，排气阀温度可达75037由于原子能反应堆的形式不同，反应堆中心材料和结构材料承受的温度也不同，由于处于中子的辐射下工作，所以不仅要有足够的高温强度，而且对应力腐蚀的敏感性要小，产生脆化和脱碳的倾向小。⑷化工用耐热材料；主要用于石油精炼和石油化工中的高温装置，温度在350～900℃。⑸原子能用耐热材料由于原子能反应堆的形式不同，反应堆中心材料和结构材料387.1.2耐热合金的分类：耐热合金也称高温合金，已经超出碳钢范畴的材料。但因存在脆性敏感性问题尚难克服，故仍处于研制阶段。1、铁基合金主要特点：含有50%左右的铁和相当高的Cr、Ni成份以及其它强化元素。7.1.2耐热合金的分类：耐热合金也称高温合金，已经39特点：含C、N少，硬化能力差。主要依靠W、Mo、铌等难溶元素以强化固溶体。⑴弱时效硬化型合金⑵固溶强化型合金特点：①Cr、Ni含量高（Cr﹥20%，Ni25～40%），抗氧化力强。②加入W、Mo、Nb及少量的Al、Ti、N等起固溶强化。③具有良好的加工性能。④使用温度高达800～900℃。特点：含C、N少，硬化能力差。主要依靠W、Mo、铌等40特点：（1）含有较高的Al、Ti、Nb等元素，以金属间化合物形式实现时效硬化。（2）具有较高的热强性和一定的抗氧化性。⑶碳化物时效硬化合金特点：含碳量高，使用温度为600～650℃。⑷金属间化合物时效硬化型合金特点：⑶碳化物时效硬化合金特点：含碳量高，使用温度为600～41特点：①具有优良的抗腐蚀和抗热疲劳性能；但其抗氧化能力通常比大多数镍基合金要差。②组织稳定，热膨胀系数低，使用寿命长；③价格高（Co为稀缺元素），使用受到限制。2、镍基合金特点：以镍为主，含有相当高的Cr。种类：固溶强化型，金属间化合物强化。3、钴基合金特点：2、镍基合金特点：以镍为主，含有相当高的Cr。种类：固427.2耐热钢与耐热合金的主要性能耐热材料的性能要求，最基本有以下两方面：高温下的力学性能和材料在使用环境下的组织稳定性与化学稳定性。7.2耐热钢与耐热合金的主要性能耐热材料的性能要43----在给定温度下，材料在规定时间内发生断裂的应力。或者说在恒定温度和试验时间内的最大拉伸负荷。7.2.1高温强度高温下的力学性能是评定耐热钢和耐热合金质量的基本指标。1、高温持久强度----在给定温度下，材料在规定时间内发生断裂的应力。或者说44蠕变极限---在给定的温度下和规定的时间内，试样产生一定量蠕变总变形的应力值。2、高温蠕变强度蠕变---指金属材料在一定温度下，即使所承受的应力远低于屈服极限，也会随时间的增长而慢慢地产生永久塑性变形的现象。蠕变极限---在给定的温度下和规定的时间内，试样产生45应力松弛是紧固件在高温时重要特性之一。应力松弛的主要条件：ξ0=ξ弹+ξ塑=常数ξ0----总变形；ξ弹----弹性变形；ξ塑----塑性变形。7.2.2应力松弛性能1、定义和条件应力松弛----金属在高温和压力状态下，如果维持总变形量不变，而随着时间的延长，应力则逐渐减少，这种现象称作应力松弛。应力松弛是紧固件在高温时重要特性之一。应力松弛的主要462、松弛现象的应力--时间曲线原因：晶粒内部镶嵌块的转动和移动造成的。应力时间原因：一般认为第一阶段松弛发生在晶界上，由晶界的扩散过程引起的。第一阶段：应力随时间延长而急剧下降。第二阶段：应力下降逐渐缓慢，并趋于稳定2、松弛现象的应力--时间曲线原因：晶粒内部镶嵌块的转动和移47组织的稳定性----指在给定的工作环境和使用期限内，组织不发生或发生不明显的变化，以确保材料高温性能的稳定性。组织稳定性是评价和选用耐热钢和耐热合金的一项重要指标。7.2.3组织的稳定性组织的稳定性----指在给定的工作环境和使用期限内，481、高温组织变化的类型：防止措施：加强碳化物形成元素，如：Cr，V、Ti、Nb等，或限制促进石墨化的元素，如：Ni、Si、Al等。⑴石墨化：在长期高温应力作用下，珠光体中的Fe3C分解为游离石墨。危害：一旦发生游离石墨，脆性增加，强度、塑性明显降低。（如锅炉钢管脆性爆裂）1、高温组织变化的类型：防止措施：加强碳化物形成元素，如：C49奥氏体耐热钢在高温下长期使用，会产生片状的有害相（多为金属间的化合物），大大降低力学性能。⑵渗碳体的球化与α固溶体中合金元素的贫化。在高温下，珠光体耐热钢中的片状渗碳体的球化和α固溶体中合金元素的贫化，导致钢的高温性能恶化。⑶碳化物的分解、析出和转变。危害：使合金持久强度和塑性降低，缺口敏感性增加。⑷有害相的产生奥氏体耐热钢在高温下长期使用，会产生片状的有害相（多为金属间50是高温气体（O2、H2O、CO2、S2、SO2等）与金属发生氧化反应的过程。7.2.4高温氧化与热腐蚀。1、高温氧化：⑴高温氧化的实质：反应形式：Me（金属）+1/2O2→MeOMe（金属）+1/2S2→MeS是高温气体（O2、H2O、CO2、S2、SO2等）51在570℃以下，氧化层由Fe3O4和Fe2O3组成，570℃以上氧化层由FeO、Fe3O4和Fe2O3组成⑵钢的高温氧化结果：钢在高温下的氧化可以形成三种氧化物：FeO、Fe3O4、Fe2O3。在570℃以下，氧化层由Fe3O4和Fe2O3组成，5752在高温氧化过程中，氧化膜的内部存在着铁原子与氧原子的双向扩散。氧原子通过氧化膜进入钢的内部，而铁原子则向相反的方向扩散到氧化膜内，与氧结合变为氧化物。⑶钢的氧化生长在高温氧化过程中，氧化膜的内部存在着铁原子与氧原子53根本途径是在钢的表面形成化