金属材料不锈钢耐热钢.ppt

1、不锈耐蚀钢,在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢。 不锈耐蚀钢是具有美观的表面和耐腐蚀性能好，不必经过镀色等表面处理，而发挥不锈耐蚀钢所固有的表面性能,使用于多方面的钢铁的一种，通常称为不锈耐蚀钢。 代表性能的有13铬钢，18-铬镍钢等高合金钢。,不锈钢：指在大气及弱腐蚀介质中耐蚀的钢。 耐蚀钢：指在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。,不锈钢：在大气及弱腐蚀介质中耐蚀的钢。 “完全耐蚀”：凡腐蚀速度小于0.01mm/a； “耐蚀”：腐蚀速度小于0.1mm/a； “不耐蚀”：腐蚀速度大于0.1mm/a。,2. 耐蚀钢：在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。 “完全耐蚀”：凡腐蚀速度小于0.1mm/a

2、； “耐蚀”：腐蚀速度小于1.0mm/a； “不耐蚀”：腐蚀速度大于1.0mm/a。,不锈钢按用途、化学成分及金相组织来大体分类。,以化学成分分类： Cr系列：铁素体系列、马氏体系列 Cr-Ni系列：奥氏体系列，析出硬化系列,以金相组织分类： 奥氏体不锈钢 铁素体不锈钢 马氏体不锈钢 双相不锈钢 沉淀硬化不锈钢,. 金属腐蚀破坏的方式: 均匀腐蚀 晶间腐蚀 点腐蚀 应力腐蚀 腐蚀疲劳,均匀腐蚀,晶间腐蚀,点腐蚀,穿晶腐蚀,化学腐蚀 金属与化学介质直接产生化学反应而造成的腐蚀。提高金属抗化学腐蚀的主要措施之一是加入Si、Cr、Al等能形成致密保护膜的合金元素进行合金化。,电化学腐蚀 是指金属在腐

3、蚀介质中由于形成原电池，阳极失去电子。提高材料的抗电化学腐蚀能力可用以下方法：表示电极电位与极化电流或极化电流密度之间的关系曲线,活性溶解区,过渡钝化区,稳定钝化区,过钝化区,减少原电池形成的可能性，使金属具有均匀的单相组织； 形成原电池时，减少两极的电极电位差，提高阳极的电极电位； 减少甚至阻断腐蚀电流，使金属“钝化”，在表面形成致密的、稳定的保护膜。金属表面形成一层薄的氧化物层，使金属腐蚀速率大大降低的过程叫钝化。,铬是提高钢钝化膜稳定性的必要元素。钢中加入铬含量（质量分数）超过1012%,合金的钝化能力有显著提高；当铬的摩尔分数每次达到12.5%、25、37.5%时，合金在硝酸中的腐蚀速

4、度都相应有一个突然的降低。研究表明，当钢中铬含量达到10后，钝化膜中才富集了铬的氧化物。在不锈钢中，这种富铬的复合氧化膜的厚度在1.02.0nm，并具有尖晶石结构，在许多介质中有很高的稳定性。,n/8规律,镍也能提高铁的耐蚀性，在非氧化性的硫酸中更为显著。当镍的摩尔分数为12.5%、25时，耐蚀性明显提高。镍加入铬不锈钢中，能提高其在硫酸、醋酸、草酸及中性盐中的耐蚀性。,锰也能提高铬不锈钢在有机酸如醋酸、甲酸和乙醇酸中的耐蚀性，而且比镍更有效。,钼能提高不锈钢钝化能力，扩大其钝化介质范围，如在热硫酸、稀盐酸、磷酸和有机酸中。含钼不锈钢中可以形成含钼的钝化膜，如Cr18Ni8Mo钢表面钝化膜的成

5、分为： (Fe2O3)=53%、 (Cr2O3)=32%、 (MoO3)=12%。含钼的不锈钢能抗点腐蚀。,贵金属铂等只要少量加入不锈钢中就能有效地提高在硫酸及有机酸中的耐蚀性。当铜、铂、钯存在时，能在不锈钢表面沉积下来，作为附加微阴极，促使不锈钢在很小的阳极电流下就能达到钝化状态。,硅能提高钢在盐酸、硫酸和高浓度硝酸中的耐蚀性。含硅14.5%(质量分数)的Fe-Si合金在盐酸、硫酸和硝酸中有满意的耐蚀性。在不锈钢中加入24%(质量分数)的硅时，也可提高不锈钢在上述介质中的耐蚀性。,不锈钢的钝化与介质的氧化能力有关。在氧化性介质如硝酸中，NO3是氧化性的，不锈钢表面氧化膜容易形成，钝化时间也短

6、。在非氧化介质，如稀硫酸、盐酸、有机酸中，含氧量低，钝化所需时间延长。当介质中含氧量低到一定程度后，不锈钢就不能钝化。,对大气、水、水蒸气等弱腐蚀介质，只要固溶体中铬含量w(Cr)大于1012，就能保证不锈。,在氧化性酸如硝酸中，由于有足够的氧使不锈耐蚀钢在短期内达到钝化状态，但是酸中含有H作为阴极去极化剂，故随H浓度增加，钝化所需的铬含量也要增加。只有这样，氧化膜中铬含量才能提高，含高铬的氧化膜在硝酸中才有很好的稳定性。故w(Cr)必须高于16的钢，才有较高的钝化能力。,在稀硫酸等非氧化性酸中，由于介质中溶有的氧量较低，而SO42-又不是氧化剂， H浓度又高，一般的铬不锈钢难以达到钝化状态。

7、在这类介质中，不锈耐蚀钢需要加入提高钢的钝化能力的元素，如镍、钼、铜等。盐酸也是一种非氧化性酸，不锈耐酸钢在其中也不耐蚀，一般需采用Ni-Mo合金，使合金表面生成稳定的MoOCl2保护膜，才能保持良好的钝化能力。,强有机酸中，由于介质中氧含量低，又有H存在，一般铬和铬镍不锈钢难以钝化，必须向钢中加入钼、铜、锰等元素，以提高不锈耐蚀钢的钝化能力。,在含有Cl介质中， Cl容易破坏不锈耐蚀钢表面的氧化膜，穿透过并与钢表面起作用，产生点腐蚀。含钼的不锈钢增强了抗点腐蚀的能力。,各种不锈耐蚀钢中，铁素体形成元素的有：铬、钼、硅、钛、铌，奥氏体形成元素的有：镍、锰、铜。 随镍含量增加，单相奥氏体区可溶解

8、铬含量也随之增加。常用的Cr18Ni9型钢是处于单相奥氏体区，若冷却到室温可得到单相奥氏体。 从Fe-Cr-Mn（Ni）三元相图1000等温截面上可看出锰扩大相区的能力有限，单相相区仅能溶解w(Cr)=14%的铬。,碳和氮是扩大相区元素，在Cr-Mn-C-N钢中，要获得单相奥氏体，所需最少的碳、氮含量和钢中铬含量之间的关系是： w(C)+w(N)=0.078w(Cr)-0.125 式中，0.125为Fe-Cr二元相图中奥氏体区能溶解的铬最大质量分数。 氮在钢中的溶解度取决于氮化物形成元素铬和锰在钢中的含量： w(N)1/100w(Cr)+w(Mn) 式中， w(N)、w(Cr)、w(Mn)分别

9、为三者在钢中的质量分数。 如Cr17Mn13不锈钢要得到单相奥氏体组织，可以算出w(C)+w(N)=0.35。一般不锈钢的碳含量小于0.10%，故在Cr-Mn-N钢中氮含量大于等于0.25%。此时Cr17Mn13不锈钢中可溶解w(N)=0.30%的氮，可保证该钢为单相奥氏体组织。,铬当量Cr镍当量Ni图表明了不锈钢实际成分和所得组织的关系，钢中铁素体形成元素折合成铬的作用，奥氏体形成元素折合成镍的作用，其中： Ni=w(Ni)+w(Co)+0.5w(Mn)+30w(C)+25(N)+0.3(Cu) Cr=w(Cr)+1.5w(Mo)+2.0w(Si)+1.5w(Ti)+1.75w(Nb)+5.

10、5w(Al)+5w(V)+0.75w(W) 可根据钢的实际化学成分，换算成铬当量和镍当量来估算钢的组织。要获得单相奥氏体组织，必须使这两类元素达到某种平衡，否则钢中就会出现一定量的铁素体，成为复相组织。,根据不锈耐蚀钢的基本组织，可将它分为五大类： 马氏体不锈钢：w(C)为0.050.45%范围的（14）Cr13型不锈钢、Cr17Ni2钢和不绣轴承钢9Cr18等，高温加热淬火后为马氏体。其中W(C)小于0.10%的0Cr13和Cr17Ni2钢在高温是复相组织，淬火后为马氏体加铁素体复相组织。 铁素体不锈钢：如0Cr17Ti、Cr25Ti、Cr26Mo1等。 奥氏体不锈钢：具有单相奥氏体组织，其

11、中铬镍奥氏体钢有1Cr18Ni9Ti、00Cr18Ni10、0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti等，铬锰镍奥氏体钢有1Cr18Mn8Ni5N，铬锰氮奥氏体钢有1Cr17Mn13N等。 奥氏体铁素体复相不锈钢，具有奥氏体加铁素体复相组织，如Cr21Ni5Ti、00Cr22Ni5Mo3N、00Cr18Ni5Mo3Si2等，铁素体体积分数为5070。 沉淀硬化不锈钢：经过适当热处理后，可发生马氏体相变，并在马氏体基础上析出金属间化合物，产生沉淀强化。这类钢属于高强度或超高强度不锈钢。,奥氏体不锈钢焊接后焊缝及热影响区(550800)在许多介质中产生晶界腐蚀。这些介质是热的浓度为5065的硝酸，含铜盐和

12、氧化铁的硫酸溶液、热有机酸等。 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀主要由钢中的碳所引起。钢中碳含量越高，晶间腐蚀越严重。原因：晶界上析出连续网状富铬的Cr23C6碳化物引起晶界周围基体产生贫铬区，铬含量低于12，在许多介质中没有钝化能力，贫铬区成为微阳极而发生腐蚀。 晶间腐蚀解决方法之一：在此敏感温度范围长期加热，通过铬的扩散消除贫铬区，则晶间腐蚀倾向就被消除。当w(C)小于等于0.03%，就没有晶间腐蚀发生。所以，最有效解决奥氏体不锈钢晶间腐蚀倾向的方法是生产超低碳不锈钢，使钢中w(C)小于等于0.03%，如00Cr18Ni10钢。,晶间腐蚀的解决办法之二： 加入强碳化物形成元素钛和铌，固定钢中的碳，形

13、成稳定的TiC或NbC，排除Cr23C6析出的可能性。若加热到1150以上，TiC或NbC开始溶解，或钛、铌含量不足，有过剩的碳溶于奥氏体，则仍不能避免Cr23C6析出。为此，钢中钛或铌的含量分别为： 0.8%w(Ti)5(w(C)-0.02) 1.0%w(Nb)10(w(C)-0.02) 钢中有1050体积的铁素体，可改善奥氏体不锈钢晶间腐蚀倾向。铁素体在500800发生相间沉淀，排除了Cr23C6在奥氏体晶界析出。 相在晶界析出也会造成晶间腐蚀。超低碳奥氏体不锈钢特别是含钼钢，如0Cr18Ni9Ti和00Cr17Ni13Mo2钢，固溶的钼和钛促进相在晶界析出，在晶界产生贫铬区，在65沸腾硝

14、酸中就能产生晶间腐蚀。 Cr-Mn、Cr-Fe、Cr-Co等。,钢中不同氮含量对晶间腐蚀有不同影响，当氮含量低于0.16%，由于抑制Cr23C6 在晶界析出，有利于改善奥氏体钢的晶间腐蚀。当氮含量高于0.16%，由于沿晶界析出Cr2N而增加晶间腐蚀倾向。,不锈钢受拉应力时，在某些介质中经过不长时间就会发生破坏。影响应力腐蚀的因素是介质特点、附加应力和钢的化学成分。 介质：引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质中含有氯离子(Cl-)。在微酸性FeCl2、MgCl2溶液中，氯离子能促进应力腐蚀破坏。在PH值小于45的酸性介质中，H+浓度越高，应力腐蚀破坏时间越短。当PH值大于45时，加入NO3-、I-及醋

15、酸盐可抑制应力腐蚀。 附加应力：只有拉应力才会引发应力腐蚀。温度恒定时，应力越大，则破坏时间越短。钢的屈服强度越高，抗应力腐蚀破坏的能力越高。钢的应力腐蚀敏感度取决于实际应力和钢的屈服强度之比，比值越高，应力腐蚀敏感度越高。,温度：可影响化学反应速度和物质输送速度。在含Cl-的水溶液中，80以上才会产生应力腐蚀。温度越高，应力腐蚀破断时间越短。 不锈钢的组织和成分：对应力腐蚀有强烈的影响。铬含量1528的铁素体不锈钢对Cl-引起的应力腐蚀不敏感，Cr18Ni9型奥氏体不锈钢对应力腐蚀很敏感。含铁素体的复相不锈钢有低的应力腐蚀敏感度。在不稳定的奥氏体不锈钢中，形变引起的马氏体对应力腐蚀有害。,低

16、镍奥氏体不锈钢对应力腐蚀敏感，而高镍(45%)就不会产生应力腐蚀。 氮促进应力腐蚀裂缝的诱发和扩展，增加应力腐蚀的敏感，而碳则降低奥氏体不锈钢的应力腐蚀敏感。 硅在单相奥氏体和复相不锈钢中都提高钢对应力腐蚀的抗力，一般硅的加入量为24。 铜能改善奥氏体不锈钢的应力腐蚀，00Cr18Ni10钢加入2的铜，可以有良好的应力腐蚀抗力。 磷、砷、锑、铋、铝是有害元素，降低奥氏体不锈钢的应力腐蚀抗力，残余硫也是有害的，MnS可优先被溶解，并形成裂纹源。 钛和铌的影响不显著。,保护膜破坏机理： 由于拉应力和保护膜增厚使界面之间拉应力加大，保护膜局部破坏。 腐蚀溶液侵渗入破坏处，形成微电池。破坏处的电位比连

17、续保护膜处低，成为阳极，并发生阳极溶解。 Me Me+2+2e 保护膜形成-破坏-形成-破坏，反复进行则裂纹扩展。,在应力作用下，钝化裂纹尖端沿最大切应力方向（或应变最大方向）形成滑移台阶，该处钝化膜破坏。,闭塞电池理论：形成裂纹后，裂缝内的PH值小于与外面的PH值，变“酸”。过程是：1）应力和介质作用下，材料表面缺陷处形成微孔或裂纹；2）微孔或裂纹非常窄小，孔、缝内外溶液对流和扩散分成困难，形成“闭塞区”；3）化学腐蚀进行时，产生阳极和阴极反应，同时闭塞区内O迅速耗尽，不能补充，所以只发生阳极反应；,闭塞电池理论：4）缝内金属离子水解产生H+，使PH值下降；5）缝内金属离子和H+增多，为了维

18、持电中性，外面的Cl+离子迁入到缝隙，形成腐蚀性极强的盐酸，使裂缝内腐蚀以自催化方式进行。,对于铬钢和铬镍钢，缝内的PH值甚至降到0，对于高强钢，无论外部溶液PH值为酸性或碱性，其缝内的PH值总为3.53.9。,奥氏体钢：层错能影响位错滑移方式，从而影响应力腐蚀敏感度。层错能高的钢形变时采取交滑移方式，位错缠结呈网状分布，引起表面的台阶小，钝化膜不易被破坏。镍和碳都增加层错能，故高镍奥氏体钢有较高的应力腐蚀抗力。而氮则促进位错呈平面分布，促进应力腐蚀。 铁素体：在形变时易发生交滑移，导致表面钝化膜破坏少，易于修补，因而降低不锈钢应力腐蚀敏感性。,防止应力腐蚀的措施： （1）采用硅含量为24或铜

19、含量为2的钢种； （2）将钢中氮含量降到小于0.04，并尽量降低杂质含 量； （3）采用高纯度铁素体不锈钢； （4）采用奥氏体铁素体复相钢，铁素体体积含量控制在 5070。,不锈钢在含Cl介质中，表面会出现点状凹坑，称为点腐蚀。不锈钢中的夹杂物、晶界析出相、晶界是点腐蚀容易发生的地方，这些区域表面钝化膜均匀性受到破坏，使得Cl易于穿透这些区脆弱的钝化膜，并与钢的基体发生作用，从而破坏了钝化膜。 解决措施：铬和钼可提高钝化膜的稳定性，工业中可选用高铬和含钼的钢种，如Cr22Ni26Mo5Ti钢及w(N)在0.1%以上的钢种如00Cr22Ni12Mo2.5N钢，以及高纯的Cr26Mo1、Cr26M

20、o4钢。发展超低硫的钢种，如超低硫Cr18Ni8MoN钢，尽可能降低介质中的Cl的浓度。,铁素体不锈钢（如0Cr17Ti、Cr25Ti、Cr26Mo1等） 屈服强度为280460MPa，而奥氏体不锈钢的屈服强度为230MPa，铁素体不锈钢的强度高，但其韧性低，韧脆转化温度高。 铁素体由于原子扩散快，有低的晶粒粗化温度和高的晶粒粗化速率。若铁素体中有一定量奥氏体或Ti(C,N)，可以阻碍晶粒长大，细化晶粒，提高强度。增加铁素体不锈钢中在高温的奥氏体量后，在冷却时将发生马氏体转变，得到铁素体加马氏体的组织。少量马氏体对塑性有利，降低钢的韧脆转化温度。 铁素体不锈钢存在475脆性，随铬含量增加，其脆

21、化倾向也增加，因而要避免在400500停留。铁素体中Cr有序化，形成富Cr并与母相共格的体心立方a”相，引起晶格畸变和内应力，脆性增加。 在Cr偏聚的区域形成金属间化合物s相。该相有高硬度，并沿晶界分别，引起脆性和晶界腐蚀。,高铬铁素体不锈钢克服低温脆性的方法： 钢中含有碳、氮、氧等杂质及夹杂物，采用精炼技术，提高钢的纯度，能显著提高铁素体不锈钢的塑性和韧性，降低韧脆转化温度。另外，加少量铝对改善Cr17型铁素体不锈钢的韧性也特别有效。,热处理,I区：晶界腐蚀倾向 II区：s相形成区 III区：475脆性区,奥氏体不锈钢（ 1Cr18Ni9Ti、00Cr18Ni10、0Cr18Ni18Mo2C

22、u2Ti ） 奥氏体不锈钢分为组织稳定（含Ti、Nb）和亚稳定两大类，后者在大变形量下要发生马氏体转变。 稳定奥氏体不锈钢具有低屈服强度和高塑性、韧性，低韧脆转化温度(见图5-16)。 影响其强度因素之一是合金元素的固溶强化(见图5-17)。间隙元素碳、氮的强化效应远大于代位元素，而氮的强化效应最大。在代位元素中，铁素体形成元素的强化效应又大于奥氏体元素。 组织因素对Cr18Ni9型不锈钢的影响表现在：随着晶粒尺寸和孪晶间平均距离变小而强度增加； 由于超低碳奥氏体不锈钢的屈服强度过低，达不到工程设计要求，必须加以强化。通常加入少量氮，以提高其强度和塑性。,热处理,I:固溶处理 10501150

23、，水冷 溶解碳化物，使A获得最大 的合金度，具有最大耐蚀性 II：退火 850950 消除晶间腐蚀 III：不含Ti、Nb的非稳定A 不锈钢，用（a）工艺，提高 晶界Cr浓度，抗晶间腐蚀。含 Ti、Nb的稳定A不锈钢用（b） 工艺，快速冷却。也叫稳定化 处理。使Cr的碳化物变成Ti、 Nb的碳化物，Cr被释放，提高 抗晶间腐蚀能力。,亚稳奥氏体不锈钢在冷变形时发生部分马氏体转变，使钢在冷作硬化基础上又加上马氏体强化。 在Md点以下到Ms点之间发生马氏体转变，产生形变马氏体。随形变量增加，马氏体量也增加。越接近Md点，产生马氏体转变所需变形量越大，超过Md点，形变不再发生马氏体转变；越接近或低于

24、Ms点转变，就越能增加马氏体量。 亚稳奥氏体不锈钢用来制造不锈弹簧。其最佳成分为：w(C)=0.080.10%, w(Cr)=1718%, w(Ni)=69%。不同轧制温度对Cr17Ni6钢强度的影响见图5-18。此钢的Ms点在0-76，采取零下温度轧制有较好的强化效果。为消除应力，提高弹性极限，提高塑性，可采取425以下回火。一般在400回火，使弹性极限和抗拉强度还有所上升。回火对性能影响见图5-19。,2,3,不锈钢要获得高强度，一般采用在马氏体基体上产生沉淀强化的方法。为此加入合金元素钼、钛、铝等，形成新的沉淀硬化相，如Fe2Mo、Ni3Mo、Ni3Ti和Ni3Al等。,1. 马氏体型沉

25、淀硬化不锈钢 以17-4PH钢为基础，通过减铬增镍以消除铁素体，并加入钼、钛、铝、铌等强化元素，经高温奥氏体区固溶处理后，冷却时发生马氏体转变，然后经425600时效，从过饱和马氏体基体中析出弥散的金属间化合物而产生沉淀强化。 这类钢用于锻件或棒材，由于热处理温度低，变形量小，可在固溶处理后精加工，然后再时效强化。 这类钢有良好的工艺性能和低的加工费用。,半奥氏体型沉淀硬化不锈钢 以Cr17Ni7钢的基础上加入强化元素发展起来的。钼、铝等形成金属间化合物，在马氏体基体上析出产生沉淀强化。钢经固溶处理后，在室温下为奥氏体及少量(810)铁素体组织。 典型钢种: PH15-7Mo钢，力学性能为：s

26、=1550MPa, b=1655MPa, =6%, 硬度为HRC48。 这类钢经固溶处理后有同奥氏体不锈钢一样的良好的冷变形能力，能承受大变形量冷轧。在315 以上使用，会继续析出金属间化合物而使钢变脆，因而要限制使用温度。,耐热钢,耐热钢和合金的发展是高温下工作的动力机械的需要 需要在高温下承受各种载荷（拉伸、弯曲、扭转、疲劳、冲击） 与高温蒸气、空气、燃气接触，发生高温氧化或气体腐蚀 应用：火电厂的蒸汽锅炉、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高温工作部件。,高温合金的重要用途,为提高热效率，需要耐热性能更好的高温合金！,航空发动机,火力发电机,高温下工作

27、时，钢和合金将发生原子扩散过 程，并引起组织转变，这是与低温部件的根 本不同点，因此耐热钢和耐热合金的基本要 求是： 良好的高温强度及与之相适应的塑性 有足够高的化学稳定性,蠕变：钢和合金在温度和应力作用下发生连续而缓慢变形,oa - 加载后瞬时变形 （oa为弹性变形，aa为塑性变形） I - 减速变形阶段；II - 稳态变形阶段 III - 加速变形阶段,蠕变强度（极限）：在某温度下，在规定时间达到规定变形(如0.1%)时所能承受的应力。 sd/tt (s1/100000700 )= 100MPa 700持续时间10000小时，总变形量1%时的蠕变极限。 持久强度：规定温度和规定时间断裂所能

28、承受的应力。 stt (s100700 ) = 300MPa， 700持续时间100小时断裂的持久强度为300MPa 持久寿命：规定温度和规定应力作用下拉断的时间。,钢中加入Cr、Al、Si，可以提高FeO出现的温度，改善钢的高温化学稳定性。 当铬和铝含量高时，钢的表面可生成致密的Cr2O3或Al2O3保护膜。 通常在钢表面生成FeO-Cr2O3或FeO-Al2O3等尖晶石类型的氧化膜，含硅钢中生成Fe2SiO4氧化膜，他们都有良好的保护作用。,MCrAlYSi涂层合金在1373K循环氧化动力学曲线 YSZ:Y掺杂ZrO2阻热涂层,Ni基高温合金,Substrate,MCrAlY,YSZ,铬是

29、提高抗氧化能力的主要元素，铝也能单独提高钢的抗氧化能力。 硅由于增加钢的脆性，加入量受到限制，只能作辅加元素。 其它元素对钢抗氧化能力影响不大。 少量稀土金属或碱土金属（Hf、Y）能提高耐热钢和耐热合金的抗氧化能力，特别在1000以上，使高温下晶界优先氧化的现象几乎消失。 钨和钼降低钢和合金的抗氧化能力，氧化产物WO3和MoO3具有低熔点和高挥发性，使抗氧化能力变坏。 高于400的水蒸汽能使钢氧化：3Fe+4H2OFe3O4+2H2 当氢扩散到钢中引起脱碳，生成甲烷，并在晶界析出，引起裂缝，即氢腐蚀。,耐热钢根据显微组织可分为两大类 铁素体型和奥氏体型,铁素体珠光体耐热钢,铁素体型耐热钢包括铁

30、素体珠光体耐热钢、马氏体耐热钢和铁素体耐热钢（工作范围350650）,此类钢的合金元素总量不超过5，退火后得到铁素体加珠光体组织，经过热处理使钢强化 强化方法：固溶强化和碳化物沉淀强化 用途：多用于锅炉蒸汽管道，在450620蒸汽介质中长期运转。,低碳珠光体耐热钢：含C在0.080.20%之间，具有低硬度与高塑性，易加工。碳化物相少，高温组织稳定性高。400600 之间保持稳定弥散分布的碳化物，维持强化，用于500600 工作的锅炉钢管及汽轮机叶片等要求塑性和焊接性好的零件。 中碳珠光体耐热钢：含C在0.250.40%，采用热锻成型用于温度较低的过热蒸汽管道、汽轮机轴、枪炮管等。,固溶强化：强

31、化元素有W、Mo、Cr。W、Mo溶于基体相，能增强原子间结合强度，提高再结晶温度，因而能显著地提高基体的蠕变抗力。铬含量小于0.5%时强化基体的作用较强，含量再增加时强化作用增加很少。其它元素如Mn、Si、Ni、Co的影响很小。,碳化物沉淀强化：沉淀强化作用以MC型最高，它不易聚集长大； M2C 型的强化作用次之，M6C型又次之； M7C3型由于聚集长大速度高，将降低钢的蠕变性能。,强碳化物形成元素V、Ti、Nb在钢中可形成各自的特殊碳化物VC、TiC、NbC。钨、钼在钢中形成M2C型的W2C、Mo2C和M6C型的Fe3W3C、Fe3Mo3C。铬在钢中的含量低时，出现合金渗碳体(Fe,Cr)3

32、C，含量超过23时，出现(Fe,Cr)7C3。,含W、Mo、V、Ti、Nb的钢经过热处理，在500700范围析出MC型和M2C型碳化物，产生沉淀强化。 当V/C4时(重量比)，符合VC化学式时，碳和钒几乎全部结合成VC，达到最佳的沉淀效果，具有最高蠕变抗力。 钛和铌的作用与钒相似，当Nb/C8时，Ti/C3时，几乎全部生成NbC 或TiC，具有最高的蠕变抗力。 当其比例小于各自的数值时，碳有剩余，就会与W、Mo结合形成M2C或 M6C碳化物。这两种碳化物，尤其是M6C，其聚集长大速度高，强化效果差，同时减少了W、Mo在基体中的固溶强化作用。 当V、Ti、Nb与C的比例超过各自的数值时，过剩的V

33、会降低基体的蠕变抗力，过剩的Nb或Ti会形成AB2相，如Fe2Nb，其聚集速度高，对蠕变强度不利。,铁素体珠光体耐热钢在400580长期运转后将发生高温回火脆性，钢中杂质元素P、Sn、Sb、As等的晶界偏聚导致钢的回火脆化倾向增大。钢中N含量也对脆性有较大的影响。钢中虽然含有Mo，但这种长时间过热后的回火脆性也难以避免。 铁素体珠光体耐热钢的典型钢种有12Cr1MoV、12Cr2.25Mo、15CrMo等，新发展的钢种有12Cr2MoWVTiB等。几种典型的钢种的成分见表。,合金元素含量提高至空冷获得马氏体组织的热强钢如表所示,1Cr11MoV、1Cr12WMoVA、1Cr11Ni2W2MoV

34、A、1Cr12WMoVNbBA是汽轮机或燃气涡轮机叶片用钢，要求较高的抗腐蚀性的同时具有高的热强性，是从Cr13型马氏体不锈钢基础上发展而来的。主要采用W、Mo、V、Ti、Nb等碳化物形成元素来固溶和沉淀强化。 4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo为阀门用钢。内燃机燃烧室排气阀端的温度高达700850，燃气中含有V、S、Na等的氧化物及防爆剂乙基铅等，使阀门严重腐蚀。C含量高耐磨损，Cr、Si可提高同素异构相变点，提高耐热性能高和热稳定性。,低碳的Cr13型马氏体不锈钢：虽然有高的抗氧化性和耐腐蚀性，但组织稳定性差，只能做450以下的汽轮机叶片。Cr12型马氏体耐热钢是通过加入Mo、W、V、N

35、b、N、B等元素来进行强化。 Cr12型马氏体耐热钢： （1）加入W、Mo后，消除了Cr7C3，只出现单一的（Cr，Mo，W，Fe）23C6，并具有沉淀强化作用。W、Mo除部分溶于M23C6和M6C碳化物外，大部分溶于基体起固溶强化作用。钢中W、Mo比例影响到钢的强度和韧性，若W低Mo高，则有高韧性和塑性，但蠕变强度较低；反之，则有高蠕变强度而韧性和塑性较低。钢中B起晶界强化作用。 （2）加V或Nb，能析出VC或NbC，起沉淀强化作用。加入氮后，也能增加沉淀强化数量，有利于加强沉淀强化效应。,2Cr12MoV和2Cr12WMoV钢的主要强化相是M23C6，固溶有W、Mo和V而提高了稳定性，高于

36、650才开始显著聚集增大。由于钢中合金元素含量高，因而有很高的淬透性。,1Cr9W2MoVNbNB钢采用多元合金复合合金化，钢中强化相有MC、MN、 M23C6和M6C。,W、Mo的固溶强化和B的晶界强化，在600和650有很高的蠕变强度。 经1050加热后空冷，又经800回火，在600105h的持久强度为196MPa， 650为98MPa，比Cr18Ni19奥氏体不锈钢在同样工作条件下还高。 钢中加入（N）0.050.10可增加（V，Nb）N沉淀强化效果。这种钢可作为高蠕变强度的高压锅炉用耐热钢。,具有体心立方结构的铁素体型耐热钢，在600650温度条件下的蠕变强度明显下降。而具有面心立方结

37、构的奥氏体型耐热钢，在650或更高温度下有较高的高温强度。奥氏体型耐热钢可分为Cr18Ni9型奥氏体不锈钢、固溶强化型奥氏体耐热钢和沉淀强化型奥氏体耐热钢。,固溶强化型奥氏体耐热钢如1Cr14Ni19W2NbB、1Cr18Ni14Mo2Nb等，以钨、钼进行固溶强化，以硼进行晶界强化。这类钢可用来制造在600700下工作的蒸汽过热器和动力装置的管路，680以下燃气轮机动、静叶片及其他锻件。经11001150固溶处理，在650700长时间保温后，有不大的时效硬化倾向。钢具有中等持久强度和高塑性，在650的1000为200MPa时，100000为100MPa，伸长率为36%。,一、碳化物沉淀强化耐热

38、钢,这类钢的沉淀强化相为MC碳化物，并含有钨、钼等固溶强化元素。以NbC为沉淀强化相的钢4Cr13Ni13Co10Mo2W3Nb3。,常用的是以锰部分代镍的4Cr13Mn8Ni8MoVNb(GH36,481) 钢，含有（V）=1.4%，（Nb）=0.4% 的沉淀强化相是(V,Nb)C，它以VC为主，溶有部分铌。当钒、铌和碳的比例正好和VC、NbC的化学式相等时，具有最好的高温强度。VC析出的最高速度对应的温度在670700，在此温度时效后，钢具有最高的沉淀硬化。另外一种碳化物是复合的M23C6型的（Cr,Mn,Mo,Fe,V）23C6，但不能成为沉淀强化相。当（Nb）0.6%时，钢中才会单独出

39、现NbC相，它溶有不多的钒和钼。,时效温度对碳化物析出量和钢的硬度的影响见下图。M23C6在 较低温度析出量很少，其最高析出温度在900。钢中的钼主要起固溶强化作用。,GH36钢的固溶温度为1140，保温1.52h，然后水冷，以防止冷却时析出VC而造成大截面零件在时效时内外组织和性能的不均匀性。 为消除零件的内外差别，固溶处理后进行两次时效处理，第一次在670时效16h，第二次在760800时效1416h,然后空冷。第一次时效温度较低，VC析出呈现小而弥散分布，钢的强度虽高，但塑性和韧性较低，且具有缺口敏感性。第二次时效温度高于工作温度，弥散的VC颗粒适当长大，这种组织在低于750有很好的稳定

40、性，改善了在670时效后钢在性能上的缺陷。 GH36耐热钢用于工作温度在650的零件，如涡轮盘件。,采用微合金化方法创制了改进型GH36钢，加入少量铝（ 0.30%）以结合钢液中的氮，减少含钒和铌的碳氮化合物M（C，N）夹杂，以充分发挥钒和铌的沉淀强化作用。同时，加入微量的镁（=0.0030.005%）来强化晶界，提高钢的持久性。,二、金属间化合物沉淀强化耐热钢,合金元素钛和铝在奥氏体耐热钢时效过程中能析出金金属间化合物相为主要沉淀强化相。 -Ni3（Ti，Al）点阵常数与奥氏体基体相近，二者仅稍有差别。当相析出时，能形成共格，产生沉淀强化。几种沉淀强化耐热钢的化学成分见下表。,GH132（A286）钢用来制造喷气发动机部件，有较高的高温度强度，可以在650700使用；对要求抗氧化而强度要求不高的零件，可以在850下长期工作，这种钢还