耐熱鋼及高溫合金

耐熱鋼及高溫合金第1頁/共34頁24四月2023§6.1鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性鋼第六章耐熱鋼和高溫合金耐熱鋼：高溫下具有高的熱化學(xué)穩(wěn)定性(抗腐蝕和耐腐蝕性能)和熱強(qiáng)性的特殊鋼。種類：

1、熱穩(wěn)定鋼高溫下抗氧化或抗高溫介質(zhì)腐蝕而不破壞的鋼種。

2、熱強(qiáng)鋼高溫下具有一定抗氧化能力并具有足夠強(qiáng)度而不產(chǎn)生大量變形或斷裂的鋼種。失效形式：高溫下強(qiáng)度不足、表面氧化腐蝕第2頁/共34頁24四月2023服役條件：高溫下工作（影響化學(xué)穩(wěn)定性、降強(qiáng)度）性能要求：1、抗蠕變、抗熱松弛和熱疲勞性能及抗氧化能力2、介質(zhì)中抗腐蝕能力和足夠韌性3、良好加工性能和焊接性4、合理的組織穩(wěn)定性用途：制造工業(yè)加熱爐、

熱工動(dòng)力機(jī)械（如內(nèi)燃機(jī)）、

石油及化工機(jī)械與設(shè)備等。第六章耐熱鋼和高溫合金§6.1鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性鋼第3頁/共34頁24四月2023一、鋼的抗氧化性能及其提高途徑失效：高溫下強(qiáng)度不足、表面氧化腐蝕要求：較好的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性：鋼在高溫下抗氧化或抗高溫介質(zhì)腐蝕的能力；指標(biāo)：g/m2.單位時(shí)間、單位面積上的氧化后質(zhì)量增加或減少的數(shù)值表示。在其他條件相同時(shí)，減少質(zhì)量或增加質(zhì)量的程度越小，熱穩(wěn)定性越高。第六章耐熱鋼和高溫合金§6.1鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性鋼第4頁/共34頁24四月2023氧化機(jī)理：第六章耐熱鋼和高溫合金§6.1鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性鋼。

第5頁/共34頁24四月2023鐵氧化物：FeO、Fe2O3、Fe3O4（致密）第六章耐熱鋼和高溫合金§6.1鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性鋼FeO氧化物：Fe缺位固溶體，F(xiàn)e離子通過FeO層易擴(kuò)散，即易氧化抗氧化措施：

防止FeO形成；提高其形成溫度；加入合金元素Cr、Al、Si形成其致密牢固氧化物，防止Fe、O原子擴(kuò)散

Al、Si加入有副作用，降強(qiáng)度增脆性第6頁/共34頁24四月2023①在鋼表面生成致密穩(wěn)定連續(xù)而牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜，但Al、Si明顯增加鋼的脆性，常與Cr一起加入；當(dāng)Cr達(dá)5％時(shí)，工作溫度達(dá)600～650℃，達(dá)28％時(shí)，工作溫度可達(dá)1100℃。②微量稀土(RE)元素如釔(Y)、鑭(La)等，能防止高溫晶界的優(yōu)先氧化，明顯改善耐熱鋼的抗氧化性。③金屬表面滲Cr、Al、Si也有效提高鋼抗氧化性?！?.1鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性鋼§5特殊性能鋼第六章耐熱鋼和高溫合金第7頁/共34頁24四月2023二、熱穩(wěn)定鋼（抗氧化鋼，不起皮鋼）種類：

F型熱穩(wěn)定鋼、A型熱穩(wěn)定鋼

F型熱穩(wěn)定性鋼：Cr13、Cr18、Cr25型

A型熱穩(wěn)定性鋼：A型不銹鋼加Si、Al而得性能：后者較前者更好的工藝性能和熱強(qiáng)性第六章耐熱鋼和高溫合金§6.1鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性鋼第8頁/共34頁24四月2023牌號典型鋼種應(yīng)用熱處理工藝？第六章耐熱鋼和高溫合金§6.1鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性鋼第9頁/共34頁24四月2023高溫力學(xué)性能指標(biāo)：①蠕變極限：材料在高溫長期載荷下對緩慢

塑性變形（即蠕變）的抗力；以表示

700℃下經(jīng)1000h產(chǎn)生0.2%殘余變形量的最大

應(yīng)力。②持久強(qiáng)度：材料在高溫長期載荷下對斷裂的

抗力；以表示在500℃下經(jīng)10000h發(fā)生

斷裂的應(yīng)力值?！?.2金屬的熱強(qiáng)性§5特殊性能鋼第六章耐熱鋼和高溫合金第10頁/共34頁24四月2023一、高溫下金屬材料力學(xué)性能特點(diǎn)熱強(qiáng)性：

高溫和載荷下抵抗塑性變形能力包括：高溫下瞬時(shí)性能和長時(shí)性能瞬時(shí)性能：高溫拉伸、沖擊、硬度長時(shí)性能：蠕變極限、持久強(qiáng)度、應(yīng)力松弛、高溫疲勞強(qiáng)度、冷熱疲勞等第六章耐熱鋼和高溫合金§6.2金屬的熱強(qiáng)性第11頁/共34頁24四月2023二、耐熱鋼熱強(qiáng)性的影響因素及其提高途徑1、影響耐熱鋼熱強(qiáng)性的因素A、軟化因素溫升，原子結(jié)合力下降，擴(kuò)散系數(shù)加大，組織由亞穩(wěn)定態(tài)向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變。如第二相集聚長大等B、形變斷裂方式變化低溫滑移；高溫有滑移、擴(kuò)散變形、晶界滑動(dòng)和遷移C、斷裂失效金屬常溫?cái)嗔眩捍┚嗔眩ň?nèi)強(qiáng)度大于晶界強(qiáng)度）金屬高溫?cái)嗔眩壕чg斷裂（原子擴(kuò)散加速）第六章耐熱鋼和高溫合金§6.2金屬的熱強(qiáng)性第12頁/共34頁24四月20232、提高鋼的熱強(qiáng)性途徑①基體(固溶)強(qiáng)化元素Cr、Ni、W、Mn、Mo、Nb等，形成單相組織并提高再結(jié)晶溫度。原理：提高原子結(jié)合力，降低擴(kuò)散系數(shù)②第二相沉淀強(qiáng)化元素V、Ti、Nb、Al等，形成細(xì)小彌散分布的穩(wěn)定碳化物(VC、TiC、NbC)或穩(wěn)定性更高的金屬間化合物(Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Al)，獲得第二相沉淀強(qiáng)化效果并提高組織穩(wěn)定性。原理：長時(shí)間穩(wěn)定難長大，高溫彌散態(tài)§6.1鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性鋼§5特殊性能鋼§6.2金屬的熱強(qiáng)性第六章耐熱鋼和高溫合金第13頁/共34頁24四月20232、提高鋼的熱強(qiáng)性途徑③晶界強(qiáng)化減少高溫下晶界轉(zhuǎn)動(dòng)途徑：

減少晶界：控制鋼晶粒度（難滑移，塑變抗力提高）

凈化晶界：微量元素硼(B)與稀土(RE)元素，高熔點(diǎn)晶核，長大進(jìn)入晶內(nèi)，起凈化晶界。

晶界空位填補(bǔ)：晶界易擴(kuò)散，加B、Ti、Zr等填充晶界空位

晶界沉淀強(qiáng)化：晶界析出強(qiáng)化相，塑變滑移和斷裂擴(kuò)展受阻，熱強(qiáng)性提高，如析出Cr23C6

還有：形變強(qiáng)化處理第六章耐熱鋼和高溫合金§6.2金屬的熱強(qiáng)性第14頁/共34頁24四月2023種類：P型熱強(qiáng)鋼、M型熱強(qiáng)鋼特點(diǎn)：加熱或冷卻時(shí)，α、γ相間互轉(zhuǎn)變，中溫使用，熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性、工藝性能較好、線膨脹系數(shù)小，低碳、低廉，600-650℃使用；應(yīng)用：制造鍋爐、汽輪機(jī)、石油提煉設(shè)備等第六章耐熱鋼和高溫合金§6.3α-Fe基熱強(qiáng)鋼第15頁/共34頁24四月2023一、珠光體型熱強(qiáng)鋼分類（C含量）：低碳P熱強(qiáng)鋼、中碳P熱強(qiáng)鋼低碳P熱強(qiáng)鋼：鍋爐管道等；中碳P熱強(qiáng)鋼：汽輪機(jī)等耐熱緊固件、轉(zhuǎn)子。失效：常時(shí)間高溫工作+介質(zhì)腐蝕，產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變和性能變化第六章耐熱鋼和高溫合金§6.3α-Fe基熱強(qiáng)鋼第16頁/共34頁24四月2023組織：細(xì)片P＋F，在600℃以下工作的熱工動(dòng)力機(jī)械和石油化工設(shè)備。碳0.10%～0.40%；耐熱性合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Nb等強(qiáng)化鐵素體并防止碳化物的球化聚集長大以保證熱強(qiáng)性。①低碳12CrMo、15CrMoV，優(yōu)良的冷熱加工性能，主要用做鍋爐管線等，正火后使用。②中碳35CrMo、35CrMoV，調(diào)質(zhì)后使用，具有優(yōu)良的高溫綜合力學(xué)性能，用作耐熱的緊固件和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子?！?.1鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性鋼§5特殊性能鋼第六章耐熱鋼和高溫合金§6.3α-Fe基熱強(qiáng)鋼第17頁/共34頁24四月2023熱強(qiáng)鋼的成分（牌號）、熱處理、用途和機(jī)械性能第六章耐熱鋼和高溫合金§6.3α-Fe基熱強(qiáng)鋼第18頁/共34頁24四月2023失效原因：1、珠光體球化和碳化物集聚長大機(jī)理：長時(shí)間高溫工作，片狀碳化物球化，小顆粒集聚成大顆粒，組織軟化，亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變，C原子擴(kuò)散完成。2、鋼石墨化機(jī)理：Fe3C分解Fe和G的過程，石墨即小裂紋，降機(jī)械性能，脆斷；措施：加Cr、Ti、Nb元素阻礙C化。3、合金元素的再分布機(jī)理：高溫下Me向碳化物擴(kuò)散集聚，基體Me貧化，熱強(qiáng)性下降。措施：加強(qiáng)碳化物形成元素Ti、V、Nb等。第六章耐熱鋼和高溫合金§6.3α-Fe基熱強(qiáng)鋼第19頁/共34頁24四月2023失效原因：4、熱脆性機(jī)理：高溫長時(shí)工作，韌性大幅下降，脆性斷裂，即熱脆性，析出新相措施：避開脆性區(qū)工作，加W、Mo，已發(fā)生脆性采用600-650℃高溫回火快冷消除珠光體熱強(qiáng)鋼熱處理：正火+比使用溫度高100℃下的高溫回火第六章耐熱鋼和高溫合金§6.3α-Fe基熱強(qiáng)鋼第20頁/共34頁24四月2023二、馬氏體熱強(qiáng)鋼①低碳高鉻型，Cr13型不銹鋼加入Mo、W、V、Ti、Nb等元素而形成，牌號有14Cr11MoV（1Cr11MoV）、15Cr12WMoV（12Cr12WMoV)等,因這種鋼還有優(yōu)良的消振性，最適宜制造工作溫度在600℃以下的汽輪葉片，故又稱葉片鋼?！?.3α-Fe基熱強(qiáng)鋼§5特殊性能鋼第六章耐熱鋼和高溫合金汽輪機(jī)葉片第21頁/共34頁24四月2023②中碳鉻硅鋼，42Cr9Si2(4Cr9Si2,0.35~0.50%C)、40Cr10Si2Mo(4,0.35~0.45%C)等，既有良好的高溫抗氧化性和熱強(qiáng)性，還有較高的硬度和耐磨性，最適合于制造工作溫度在750℃以下的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥，故又稱排氣閥鋼。熱處理：淬火形成馬氏體＋高溫回火狀態(tài)下使用----回火T或回火S§6.3α-Fe基熱強(qiáng)鋼第六章耐熱鋼和高溫合金第22頁/共34頁24四月2023馬氏體熱強(qiáng)鋼鋼種與應(yīng)用第六章耐熱鋼和高溫合金§6.3α-Fe基熱強(qiáng)鋼第23頁/共34頁24四月2023在奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上加：W、Mo、V、Ti、Nb、Al等，強(qiáng)化奧氏體并能形成穩(wěn)定的特殊碳化物或金屬間化合物。具有比珠光體熱強(qiáng)鋼和馬氏體熱強(qiáng)鋼更高的熱強(qiáng)性和抗氧化性，此外還有高的塑性、韌性及良好可焊性、冷塑性成形性。常用07Cr18Ni11Ti、45Cr14Ni14W2Mo(4,0.40~0.50)等，用于工作高達(dá)800℃的各類緊固件與汽輪機(jī)葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥，使用狀態(tài)為固溶處理狀態(tài)或時(shí)效處理狀態(tài)。二、耐熱鋼（常用耐熱鋼_奧氏體）§6.4γ-Fe基熱強(qiáng)鋼第六章耐熱鋼和高溫合金第24頁/共34頁24四月2023奧氏體熱強(qiáng)鋼：一、固溶強(qiáng)化型二、碳化物沉淀強(qiáng)化型三、金屬間化合物強(qiáng)化型掌握：化學(xué)成分、牌號、熱處理工藝、機(jī)械性能、應(yīng)用第六章耐熱鋼和高溫合金§6.4γ-Fe基熱強(qiáng)鋼過熱器管排過熱器集箱第25頁/共34頁24四月2023第六章耐熱鋼和高溫合金§6.3α-Fe基熱強(qiáng)鋼第26頁/共34頁24四月2023第六章耐熱鋼和高溫合金第27頁/共34頁24四月2023第六章耐熱鋼和高溫合金第28頁/共34頁24四月2023航空、航天工業(yè)的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)在800℃以上的高溫下長期承受一定的載荷工作，耐熱鋼已不能滿足抗氧化性尤其是熱強(qiáng)性要求，此時(shí)便應(yīng)采用高溫合金，它包括鐵基、鎳基、鈷基。1.鐵基高溫合金工作溫度800～900℃的零件，使用狀態(tài)為固溶或固溶＋時(shí)效。常用牌號如GH1131，Cr20％、Ni28%、W5％、Mo4％左右。2.鎳基高溫合金基本性能類似于鐵基高溫合金，但熱強(qiáng)性和組織穩(wěn)定性稍優(yōu)；但價(jià)格昂貴。如GH3030，Cr20％、微量的Ti、Al等元素。1000℃左右

二、耐熱鋼（常用耐熱鋼_高溫合金）第六章耐熱鋼和高溫合金第29頁/共34頁24四月2023耐磨鋼：用于制造高耐磨性零件的特殊鋼種；廣義上，高碳工具鋼、一部分結(jié)構(gòu)鋼及合金鑄鋼均可用于制造耐磨零件；最重