第六章-耐热钢

第六章耐热钢2

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许多工作部件在高温下工作。因为是在高温下服役，所以这些零部件技术要求比较苛刻。通常把在高温条件工作的钢称为耐热钢。耐热钢应具有两方面的基本性能，一是有良好的高温强度和塑性，二是有足够高的高温稳定性。根据不同服役条件，常常将耐热钢分为热强钢和热稳定性钢两大类。3概述热稳定钢（抗氧化钢）—在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀而不破坏的钢种，如炉底板等。即高温下工作，失效原因主要是高温氧化，而单位面积承受载荷并不大。热强钢—在高温下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，如高温螺栓、涡轮叶片等。即高温下工作，承受较大载荷，失效主要原因是高温下强度不够。燃气轮机

4§6-1钢的热稳定性和热稳定钢

一、耐热钢的工作条件和性能要求1.工作条件

使用温度不断提高，寿命不断延长。2.性能要求抗氧化性（耐热不起皮）有高温抗蠕变性，长期和短时热强性，小的缺口敏感性，抗热松驰性和热疲劳性。有高温下的组织稳定性，以及强化机制在高温下的有效性。大的热传导性，小的热膨胀性。好的工艺性（锻、铸、焊），良好的成批生产和经济性。5二、钢的抗氧化性及其提高途径一般用单位时间、单位面积上氧化后质量增加或减少的数值表示，单位为g/m2。若能在金属表面形成一层致密的、牢固结合的氧化膜，那么钢将不再被氧化。6由于铁离子半径比氧离子的小，因而氧化膜的生成主要靠铁离子向外表层扩散。<560℃，表面生成很致密的Fe2O3和Fe3O4层，该两层较薄。>560℃，出现FeO层，铁离子在FeO层中的扩散很快，因而FeO层增厚很快，钢的氧化速度剧增。中间层为Fe3O4，外表层为Fe2O37Fe2O3、Fe3O4、FeO三层厚度比为1:10:100。Fe3O4FeOFeFe2O3氧离子铁离子钢的氧化过程示意图8为了提高钢的抗氧化性，首先要防止FeO形成或提高其形成温度。加入合金元素Cr、Al、Si，可以提高钢的抗氧化能力。这是因为形成了Cr2O3、Al2O3、SiO2或FeO·Cr2O3、FeO·Al2O3、Fe2SiO4等很致密的、牢固结合的氧化膜；另外Cr、Al、Si还能提高FeO的形成温度。9总结合金元素的作用Cr：提高抗氧化性；提高基体电极电位；提高钢的热强性。抗氧化钢的主要元素。Al、Si：显著提高抗氧化性；严重恶化工艺性；使钢变脆。很少单独使用。Ni、Mn：对抗氧化性影响小，Mn略降低抗氧化性。A稳定元素，获得A；不宜用于含S气氛中，形成Ni3S共晶温度很低（645℃），沿晶分布。N、C：溶于固溶体，对氧化性影响不大。形成化合物，降低抗氧化性，破坏氧化膜的连续性。C一般控制在0.1-0.2%。Mo、V：形成低熔点产物MoO3（795℃）、V2O5（658℃），易挥发，降低钢的抗氧化性。RE：使膜与基体结合力增强，提高抗氧化性。10三、热稳定钢广泛用于工业炉中的构件，如炉底板、马弗罐、辐射管等。铁素体型热稳定钢奥氏体型热稳定钢11铁素体抗氧化钢（1）特点：是在铁素体不锈钢的基础上发展起来的。因无相变，有晶粒长大倾向，韧性低，但抗氧化性强，还可以在含S的气氛中使用（因不含镍）。（2）分类（按使用温度分）使用温度Cr13型：800-850℃，Cr13Si3、Cr13SiAl等Cr18型：1000℃左右，Cr18Si2、Cr17Al4Si等Cr25型：1050-1100℃，Cr24Al2Si、Cr25Si2等12奥氏体型抗氧化钢

在A不锈钢的基础上发展起来的，加入Si和Al，但这类钢含大量的Cr和Ni，如Cr18Ni25Si2，为了节约Ni、Cr，从50年代开始研制了Fe-Al-Mn和Cr-Mn-N系抗氧化钢。13§6-2金属的热强性一、热强性指标:热强性是指钢在高温下的强度，是温度、应力、时间的函数。

蠕变及蠕变极限、持久强度、持久寿命、应力松驰、高温疲劳强度、冷热疲劳等

14二、热强性的影响因素及其提高途径1.影响热强性的因素随着温度的升高，耐热钢抵抗塑性变形和断裂的能力不断降低。⑴软化因素。显微组织由亚稳态向稳定态过渡、第二相聚集长大、发生再结晶等。15⑵形变断裂方式的变化高温下形变方式不仅有滑移，而且还有扩散形变及晶界滑动与迁移等方式。高温下由于晶界区域原子扩散速度增加，晶界强度减弱，断裂方式多呈晶间断裂。162.提高钢的热强性途径⑴基体强化提高基体金属的原子间结合力、降低固溶体的扩散过程。常加入高溶点的固溶强化元素，如Mo、W等。奥氏体基体比铁素体基体的热强性高。17要求第二相稳定，不聚集长大，能在高温下保持细小均匀的弥散状态，因此对第二相的成分和结构有一定要求。难溶合金碳化物、金属间化合物第二相与基体保持共格⑵第二相强化18⑶晶界强化减少高温状态下的晶界滑动。①减少晶界。适当控制钢的晶粒度。②净化晶界。减少S、P等低熔点杂质在晶界的偏聚。③填补晶界上的空位。加入表面活化元素。④晶界的沉淀强化。在晶界上沉淀出不连续的强化相。19§6-3α-Fe基热强钢

一．珠光体型热强钢

珠光体型热强钢使用中会产生一系列问题：1．珠光体球化和碳化物聚集2．钢的石墨化Al、Si—石墨元素；Mo—促进石墨化（0.5%Mo钢多次事故），虽然Mo强烈强化F，不单独使用；Cr—降低石墨化，再加入V、Nb效果更好。3.合金元素再分配加入V、Ti、Nb形成稳定K，保持固溶体强化特性，提高原子间结合力，使扩散困难。也可产生沉淀强化作用。4.热脆性20珠光体型热强钢的合金化低碳（保证良好工艺性、耐热性、组织稳定性，不易发生球化和石墨化）/中碳（提高强度）；主要合金元素：Cr、Mo、V、Ti、W、Nb有时加入少量B—强化晶界。热处理：正火（因为高温下使用组织不稳定）+回火（高于使用温度100℃）215.典型钢号

12Cr1MoV：使用温度580℃左右25Cr2Mo1VA：C提高，屈服强度提高，合金元素量提高，正火得到大量B，缺点：持久塑性低，运行中K沿晶界析出，易脆断。20Cr1Mo1VNbTiB：C降低，Nb、Ti强化，B强化晶界，具有高的持久强度和塑性22二．马氏体型热强钢1．叶片用钢（1）工作条件及性能要求温度：450-620℃，要求更高的蠕变强度，耐蚀性和耐腐蚀磨损性。Cr13马氏体热强钢

15Cr11MoV、15Cr12WMoVA23合金元素W、Mo：使Cr23C6、Cr7C3型K形成合金K，弥散强化作用，同时还有固溶强化效果。V、Nb、Ti：形成稳定K；加强W和Mo的固溶强化作用。B：强化晶界。以上元素均为F稳定元素，含量多时，易出现δ铁素体，使钢性能恶化，为此有时加入1-2%Ni，形成单相A，同时降低Cr。242．排气阀用钢（1）工作条件及性能要求高温（进气阀：300-400℃，一般用40Cr、38CrSi；排气阀：700-800℃，阀端在燃烧室）严重的高温氧化腐蚀、机械疲劳和热疲劳、腐蚀磨损、摩擦磨损性能要求：高的热强性、硬度、韧性高温下的抗氧化性和抗蚀性组织稳定性和良好的工艺性（2）钢种属于硅铬钢，4Cr9Si2，使用温度700℃、4Cr10Si2Mo，使用温度750℃（3）热处理：淬火+高温回火（注意回火脆），组织：回火S或回火T25§6-4奥氏体热强钢及合金一、固溶强化型18-8不锈钢的基础上加入W、Mo、Nb18-11和14-19（1Cr18Ni11Nb）（1Cr14Ni9W2Nb）特点：良好的焊接性、压力加工性。热处理：固溶处理26二、碳化物沉淀强化型

1.成分：较高Cr、Ni，以形成A；W、Mo、V、W、Nb和较高的C，以形成强化相K。2.热处理：固溶+时效3.典型钢号GH36（4Cr13Ni8Mn8MoVNb）1140℃×1.5-2小时，水冷，670℃×12-14小时第一次时效，770-800℃×10-12小时第二次时效应用：温度低于650℃的涡轮盘、紧固件27三、金属间化合物强化型（铁基高温合金）1.成分特点：C很低（0.08%），故称为铁基高温合金。Ni：25-40%，形成A元素，形成强化相γ´(Ni3(AlTi)Al、Ti：形成强化相γ´，Ti>1.4%，Al>0.3-0.4%，才会γ´。Mo：固溶强化，降低铁的扩散系数，提高高温强度、塑性。降低缺口敏感性。V、B：强化晶界。2．热处理固溶+时效A286：980-1000℃×2小时，油冷+704-760℃×16小时时效28§6-5镍基高温合金

一．镍和铁性能对比点阵：均为FCC同素异构转变：镍无同素异构转变熔点：镍为1454℃，铁为1539℃电位：镍为-0.25V，铁为-0.44V镍的钝化能力优于铁，因此，镍基合金具有比铁基合金更高的耐热性，同时又有良好的工艺性，所以镍基高温合金是当前广泛使用的一类重要合金。29二．镍基高温合金的分类（按生产方式）铸造镍基高温合金：使用温度可达1050℃变形镍基高温合金：使用温度可达950℃30三．镍基高温合金特点

1．成分合金化和铁基相似，热强性元素相同。Mo、W、Cr、Co：对γ固溶强化。Al、Ti、Nb、Ta：形成金属间化合物γ´[Ni3(AlTi)]B、Zr、Ce（铈）：强化晶界2．组织Ni的γ基体+γ´（强化相）+K（强化相）3．合金元素比在铁中的溶解度大由于溶解度大，合金元素含量高，热强性高，强化效果大。镍基合金中γ基体和γ´的匹配度差可作更大的调节，保证所需性能31三．镍基高温合金特点4．性能