航空工程材料教案不銹鋼耐熱鋼及高溫合金

1、項(xiàng)目 （任務(wù)）學(xué)習(xí)子情境：不銹鋼、耐熱鋼及高溫合金授課班級(jí)授課教師地 點(diǎn)課時(shí)/累計(jì)審批/日期多媒體教室2/44授課周次課程類型理論課教學(xué)方法舉例教學(xué)目標(biāo)知 識(shí) 目 標(biāo)能力（技能）目標(biāo)掌握不銹鋼和高溫合金的種類、牌號(hào)、性能及用途會(huì)識(shí)別不銹鋼、高溫合金的牌號(hào)、成分、性能及應(yīng)用重難點(diǎn)及解決方法重點(diǎn)：不銹鋼和高溫合金的種類、牌號(hào)、性能及用途難點(diǎn)：不銹鋼、高溫合金的牌號(hào)、成分、性能及應(yīng)用解決方法：舉例、多媒體演示能力訓(xùn)練任務(wù)及案例不銹鋼、GH3030教學(xué)回顧回顧前面所學(xué)的合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼。教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)：1.復(fù)習(xí)上節(jié)課的內(nèi)容。2.講解不銹鋼及高溫合金的種類、牌號(hào)、性能及用途。§ 學(xué)習(xí)子情境：不

2、銹鋼、耐熱鋼和高溫合金的認(rèn)知一、教學(xué)回顧：回顧前面所學(xué)的合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、成分特點(diǎn)、性能特點(diǎn)和熱處理特點(diǎn)。二、特殊鋼及特殊合金特殊性能鋼是指具有特殊的物理、化學(xué)性能的鋼。其中最主要的是不銹鋼、耐熱鋼和高溫合金。（一）、不銹鋼不銹鋼（又稱為不銹耐酸鋼）是指能抵抗大氣或酸等化學(xué)介質(zhì)腐蝕的鋼。1、成分特點(diǎn)（1） 碳含量較低因C與鋼中的合金元素Cr易在晶界處形成Cr的合金碳化物（主要為(Cr,Fe)23C6型碳化物），使碳化物周圍貧Cr，貧Cr區(qū)組織迅速被腐蝕，造成沿晶界發(fā)展的晶間腐蝕，使金屬產(chǎn)生沿晶界脆斷的危險(xiǎn)。同時(shí)，隨C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，滲碳體及其他碳化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨著增加，致使微電池的

3、數(shù)量增多。因此，為保證不銹鋼具有良好的耐蝕性，不銹鋼中的含碳量應(yīng)低，且耐蝕性要求愈高，碳含量應(yīng)愈低。大多數(shù)不銹鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10.2%。對(duì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求較高（0.850.95%）的不銹鋼，應(yīng)相應(yīng)地提高Cr含量。（2） 加入最主要的合金元素CrCr是不銹鋼中獲得耐蝕性的最基本元素，Cr能提高鋼基體的電極電位。隨鉻含量的增加，鋼的電極電位急劇升高，如圖5-7所示。鉻在氧化性介質(zhì)（如水蒸氣、大氣、海水、氧化性酸等）中極易鈍化，生成致密氧化膜，阻止金屬進(jìn)一步被氧化，從而使鋼的耐蝕性大大提高。（3） 加入NiNi是擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，在不銹鋼中加入Ni，可獲得單一奧氏體組織，顯著提高耐蝕2、牌號(hào)這

4、類鋼牌號(hào)前面數(shù)字表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)，合金元素的表示方法與其它合金鋼相同。例如3Cr13鋼，表示平均wC=0.3%，平均wCr=13%。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC0.03%及wC0.08%時(shí)，則在牌號(hào)前面分別冠以“00”及“0”表示，例如00Cr17Ni14Mo2鋼的平均wc0.03%、wCr17、wNi14%、wMo2%；而0Cr19Ni9鋼的平均wc0.08%、wCr19、wNi9%。另外，當(dāng)wSi1.5%、wMn2時(shí)，牌號(hào)中不予標(biāo)出。3常用不銹鋼常用的不銹鋼根據(jù)其組織特點(diǎn)，可分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼三種類型。a）馬氏體不銹鋼含碳量為0.10.45%，含鉻量為1214%，屬

5、于鉻不銹鋼，通常指Cr13型不銹鋼。典型鋼號(hào)有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。這類鋼一般用來(lái)制作即能承受載荷又需要耐蝕性的各種閥、機(jī)泵等零件以及一些不銹工具等。b）鐵素體不銹鋼含碳量低于0.15%,含鉻量為1230%，也屬于鉻不銹鋼，典型鋼號(hào)有0Cr13、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。鋼從室溫加熱到高溫（9601100），其顯微組織始終是單相鐵素體組織。其耐蝕性、塑性、焊接性均優(yōu)于馬氏體不銹鋼。對(duì)于高鉻鐵素體不銹鋼，其抗氧化性介質(zhì)腐蝕的能力較強(qiáng)，隨含鉻量增加，耐蝕性又進(jìn)一步提高。這類鋼的強(qiáng)度顯然比馬氏體不銹鋼低，主要用于制造耐蝕零件，廣泛用于硝酸和氮肥工業(yè)中。c）

6、奧氏體不銹鋼在含18%Cr的鋼中加入811%Ni，就是的奧氏體不銹鋼。如1Cr18Ni9是最典型的鋼號(hào)。這類鋼由于鎳的加入，擴(kuò)大了奧氏體區(qū)域，從而在室溫下就能得到亞穩(wěn)的單相奧氏體組織。由于含有較高的鉻和鎳，并呈單相的奧氏體組織，因而具有比鉻不銹鋼更高的化學(xué)穩(wěn)定性，有更好的耐腐蝕性，是目前應(yīng)用最多的一類不銹鋼。這類鋼不僅耐腐蝕性能好，而且鋼的冷熱加工性和焊接性也很好，廣泛用于制造化工生產(chǎn)中的某些設(shè)備及管道等。d）沉淀硬化不銹鋼奧氏體不銹鋼的強(qiáng)化途徑是加工硬化，但對(duì)要求高強(qiáng)度的大截面零件，很難達(dá)到目的；對(duì)形狀復(fù)雜的沖壓件，由于各處變形度不同，會(huì)造成強(qiáng)化不均勻。為了解決這一問(wèn)題，可采用沉淀硬化不銹鋼

7、，常用的這類鋼有：0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)、0Cr17Ni7Al(17-7PH)、0Cr15Ni7Mo2Al(PH15-7Mo)等。這類鋼主要用作高強(qiáng)度、高硬度而又耐蝕的化工機(jī)械設(shè)備及零件，如軸類、高速離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓彈簧以及航天設(shè)備等的零件。 （二）、耐熱鋼在發(fā)動(dòng)機(jī)、化工、航空等部門(mén)，有很多零件是在高溫下工作，要求具有高的耐熱性的鋼稱為耐熱鋼。（1）耐熱鋼的一般概念鋼的耐熱性包括高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度兩方面的涵義。金屬的高溫抗氧化性是指金屬在高溫下對(duì)氧化作用的抗力；而高溫強(qiáng)度是指鋼在高溫下承受機(jī)械負(fù)荷的能力。所以，耐熱鋼既要求高溫抗氧化性能好，又要求高溫強(qiáng)度高。a）高溫抗氧化性金

8、屬的高溫抗氧化性，通常主要取決于金屬在高溫下與氧接觸時(shí)，表面能形成致密且熔點(diǎn)高的氧化膜，以避免金屬的進(jìn)一步氧化。一般碳鋼在高溫下很容易氧化，這主要是由于在高溫下鋼的表面生成疏松多孔的氧化亞鐵（FeO），容易剝落，而且氧元子不斷地通過(guò)FeO擴(kuò)散，使鋼繼續(xù)氧化。為了提高鋼的抗氧化性能，一般是采用合金化方法，加入鉻、硅、鋁等元素，使鋼在高溫下與氧接觸時(shí)，在表面上形成致密的高熔點(diǎn)的氧化膜，牢固地附在鋼的表面，使鋼在高溫氣體中的氧化過(guò)程難以繼續(xù)進(jìn)行。b）高溫強(qiáng)度金屬在高溫下所表現(xiàn)的力學(xué)性能與室溫下大不相同。在室溫下的強(qiáng)度值與載荷作用的時(shí)間無(wú)關(guān)，但金屬在高溫下，當(dāng)工作溫度大于再結(jié)晶溫度、工作應(yīng)力大于此溫度

9、下的彈性極限時(shí)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬會(huì)發(fā)生極其緩慢的塑性變形，這種現(xiàn)象叫做“蠕變”。在高溫下，金屬的強(qiáng)度是用蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度來(lái)表示。蠕變強(qiáng)度是指金屬在一定溫度下，一定時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生一定變形量所能承受的最大應(yīng)力。而持久強(qiáng)度是指金屬在一定溫度下，一定時(shí)間內(nèi)，所能承受的最大斷裂應(yīng)力。為了提高鋼的高溫強(qiáng)度，通常采用以下幾種措施：固溶強(qiáng)化。析出強(qiáng)化。強(qiáng)化晶界。（2）常用的耐熱鋼a）珠光體耐熱鋼一般在正火狀態(tài)下其顯微組織為珠光體+鐵素體。其工作溫度為350550，由于含合金元素量少，工藝性好，常用于制造鍋爐、化工壓力容器、熱交換器、汽閥等耐熱構(gòu)件。其中15CrMo主要用于鍋爐零件。b）馬氏體耐熱鋼這類鋼主要

10、用于制造汽輪機(jī)葉片和氣閥等。1Cr13、2Cr13是最早用于制造汽輪機(jī)葉片的耐熱鋼。1Cr11MoV、1Cr12WmoV，經(jīng)淬火+高溫回火后，可使工作溫度提高到550580。4Cr9Si2，4Cr10Si2Mo是典型的汽車閥門(mén)用鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，鋼具有較高的耐熱性和耐磨性。c）奧氏體耐熱鋼奧氏體耐熱鋼的耐熱性能優(yōu)于珠光體耐熱鋼和馬氏體耐熱鋼，這類鋼的冷塑性變形性能和焊接性能都很好，一般工作溫度在600700，廣泛用于航空、艦艇、石油化工等工業(yè)部門(mén)制造汽輪機(jī)葉片，發(fā)動(dòng)機(jī)汽閥等。最典型的牌號(hào)是1Cr18Ni9Ti。4Cr15Ni20（HK40）是石化裝置上大量使用的高碳奧氏體耐熱鋼。這種鋼在900

11、工作壽命達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。4Cr14Ni14W2Mo是用于制造大功率發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥的典型鋼種。（三）高溫合金：工作溫度700分類：變形和鑄造 鎳基、鈷基、鐵-鎳基牌號(hào)：“GH”序號(hào) （變形） “K”序號(hào) （鑄造）a）鎳基高溫合金：目前在9001000可使用鎳基合金。它是在Cr20Ni80合金系基礎(chǔ)上加入鎢、鉬、鈷、鈦、鋁等元素發(fā)展起來(lái)的一類合金。主要通過(guò)析出強(qiáng)化及固溶強(qiáng)化提高合金的耐熱性，用于制造汽輪機(jī)葉片、導(dǎo)向片、燃燒室等。b）鐵-鎳基高溫合金：為了節(jié)約鎳，以鐵代替部分鎳。850以下可代替鎳基高溫合金。變形鎳基高溫合金有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和熱疲勞性，冷壓和焊接性良好，常用作燃燒室聯(lián)焰管、引燃管等。常用

12、合金有：（1）GH3039 GH3039鎳基高溫合金的主要成分是Cr20Ni75Mo2AlTiNb，常用作900以下工作的火焰筒及加力燃燒室等冷壓焊接零件。（2）GH3044 GH3044鎳基高溫合金的主要成分是Cr25Ni60W15Ti，常用于9501100工作的燃燒室、魚(yú)鱗片內(nèi)腹板等冷壓焊接件。（3）GH3128 GH3128是我國(guó)研制的合金，目前主要用于制造950以下長(zhǎng)期工作的火焰筒、加力燃燒室、導(dǎo)向葉片等零件。C） 鑄造高溫合金高溫合金很難切削加工，雖然盡量采用新型刀具材料，仍然不能解決問(wèn)題，生產(chǎn)效率很低，所以近年來(lái)鑄造高溫合金得到很大發(fā)展。同變形高溫合金相比，鑄造高溫合金的優(yōu)點(diǎn)是：可

13、大幅度加入合金元素，可以避免因合金元素多而使工藝性能變壞的問(wèn)題；使用溫度可相對(duì)提高2030，甚至80；可鑄成精度高和形狀復(fù)雜的零件；可以采用新工藝，如定向結(jié)晶消除橫向晶界，控制冷卻速度獲得所需的晶粒度或使葉片邊緣晶粒細(xì)化，以提高葉片的力學(xué)性能。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)向葉片通常采用鑄造高溫合金，以普通精密鑄造工藝或定向凝固工藝生產(chǎn)。比較有代表性的鋼種有：K214、K232、K406、K417、K403、K409、K418等。D）其他高溫合金除上述高溫合金外，還有鈷基、鉬基、粉末高溫合金、高溫復(fù)合材料，可用于更高的工作溫度。鈷基高溫合金可使用于7001050的高溫，這類合金具有高的熔點(diǎn)和較高的強(qiáng)度。采用精密鑄造成形，可用來(lái)制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)葉片等高溫零件和結(jié)構(gòu)件。粉末高溫合金，是首先生產(chǎn)表面不受氧化的細(xì)合金粉末，然后將粉末裝入密封罐，以熱擠壓形成坯料，再進(jìn)行鍛造