《第6章耐热钢》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章耐热钢（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、金属材料学 Metal Material Science,专业：金属材料工程（本） 教师：杜大明 电话：13970209698 dudaming1978,金属材料学-第6章 耐热钢,第6章 耐热钢,金属材料学-第6章 耐热钢,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（或称高温不起皮钢）两大类。,金属材料学
2、-第6章 耐热钢,发动机的热效率都随介质工作温度的提高而提高。30多年来，大型喷气式飞机的发动机推力提高了5倍多，而发动机的重量只增加12倍，这主要靠高温合金的采用。,金属材料学-第6章 耐热钢,金属材料学-第6章 耐热钢,第一节 基本概念,一、金属的抗氧化性,金属材料学-第6章 耐热钢,1.氧化膜与氧化规律 铁氧化物类型有FeO、Fe2O3、Fe3O4三种。 FeO：结构疏松，冷却分解应力，结合力弱，易剥落； Fe2O3、Fe3O4：结构致密，和基体结合好。,570以下，氧化膜由Fe2O3和Fe3O4组成； 570以上，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO 氧化物组成，约1:10:100.
3、 570以上铁的氧化过程大大地加速，遵守 抛物线规律,形 成 规 律,金属材料学-第6章 耐热钢,耐热钢和耐热合金的抗氧化和气体腐蚀能力可分为5级： 腐蚀速率0.1mm/a，为完全抗氧化； 0.11.0mm/a，为抗氧化； 1.03.0mm/a，为次抗氧化； 3.010.0mm/a，为弱抗氧化； 10.0mm/a，为不抗氧化。,金属材料学-第6章 耐热钢,2、提高钢抗氧化性的途径 (1)加入合金元素，提高钢氧化膜稳定性,金属材料学-第6章 耐热钢,（2）形成致密、稳定的氧化膜,Cr、Al、Si、Ti等，逐步形成以合金元素氧化物为主或合金元素氧化物的氧化膜，如Al2O3、SiO2、Cr2O3等致
4、密、稳定。,金属材料学-第6章 耐热钢,1、钢的热强性能指标 （1）蠕变及蠕变极限,蠕变极限是试样在一定温度下和在规定的持续时间内，产生的蠕变变形量（总的或残余的）或蠕变速率等于某规定值时的最大应力。,二、钢的热强性,金属材料学-第6章 耐热钢,（2）持久强度,持久强度极限是试样在一定温度和规定的持续时间内引起断裂的最大应力值。,在高温疲劳时只有条件疲劳极限，即把在某一规定的循环次数（一般采用107108次）下而不断裂时的最大应力作为疲劳极限。,（3）高温疲劳强度,金属材料学-第6章 耐热钢,（4）应力松弛,应力松弛现象是在具有恒定总变形的零件中，随时间延长而自行降低应力的现象。,金属材料学-
5、第6章 耐热钢,2、提高热强性的途径 （1）强化基体,基体金属熔点：T熔，金属原子间结合力。 铁、镍、钼基是依次,合金晶格类型：fcc-Fe bcc-Fe, 奥氏体型钢要比F、M、P型钢的蠕变抗力高,固溶体结合力：合金化固溶体原子间结合力，Mo、Cr、Mn、Si作用较大,金属材料学-第6章 耐热钢,（2）强化晶界,净化晶界：杂质易偏聚在晶界，形成易熔夹杂物 晶界强度。RE、B优先结合杂质，形成 高熔点化合物，异质晶核从晶界转入晶内,填充空位：晶界上空位多，原子易快速扩散。B 易偏聚晶界，晶界空位。,金属材料学-第6章 耐热钢,（3）弥散强化,弥散质点，位错运动，强度 有效 性和程度的关键是质点
6、的性质、大小、分布、 稳定性。,珠光体热强钢的蠕变强度,（4）热处理,金属材料学-第6章 耐热钢,Cr：钢抗氧化性主要元素。形成致密而稳定的 Cr2O3。T，Cr。如600650，需要 5%Cr ；800时，为12%Cr。固溶强化,Mo、W：低合金热强性重要元素。固溶强化， 析出稳定相。,三、耐热钢的合金化,金属材料学-第6章 耐热钢,Al：抗氧化性的有效元素。 在1000时， 6%Al18%Cr水平。冶金工 艺性，使钢变脆。 不能单独加入，作为辅助 合金化元素。,Si：抗氧化性的辅助元素。但效果比Al还要有 效，使钢脆性大，用Si代替部分Cr。G化， K聚集长大。一般在23%Si。 用于渗碳
7、罐，抗渗性好。,金属材料学-第6章 耐热钢,Ni：获得奥氏体组织,Ti、Nb、V：形成稳定K，钢松弛稳定性， 热强性,C：较低温度时强化钢，G化，K聚集长 大 尽可能C。,金属材料学-第6章 耐热钢,珠光体热强钢的合金元素含量较少（总量不超过5%），使用状态的显微组织由珠光体和铁素体组成，工作最高温度可达600。 按用途主要有锅炉钢管、紧固件和转子用钢等几大类。,第二节 热强钢,一、珠光体热强钢,金属材料学-第6章 耐热钢,1、锅炉钢管用珠光体热强钢 锅炉蒸汽管道和过热器处于长期的高温和高压，在高温烟气和水蒸汽的长期作用下发生氧化与腐蚀。 要求抗氧化和耐蚀，组织稳定,工艺性能好。,金属材料学-
8、第6章 耐热钢,普遍 问题,组织不稳定，如片状P球化、K长 大、G化， 强度，管子爆裂,合金 化,0.2%C 球化、K长大、G化 采用 Cr- Mo- V系,Mo、W 、Cr 固溶强化，K长大和 G化，Cr抗氧化性和耐蚀性；,金属材料学-第6章 耐热钢,V Ti,直接作用,间接作用,形成稳定MC型K， 弥散强化，热强度,使更多Mo、W 、Cr 固溶，热强度,典型钢号12Cr1MoVG是用量较大的钢管 材料，15CrMo、12CrMoV 等,金属材料学-第6章 耐热钢,紧 固 件,处于初紧预应 力状态工作,高的屈服强度、 松弛稳定性， 缺口敏感性小， 一定抗氧化性,C Cr/ Mo/ V,常用钢
9、：35CrMoV、25Cr2MoV钢常用作中压 气轮机的螺栓和螺母材料，25Cr2Mo1V钢 在高压电厂中广泛使用,2、紧固件用珠光体热强钢,金属材料学-第6章 耐热钢,转 子,主轴、叶轮 或整锻转子,过热蒸汽，复杂应 力（扭/弯/热等）,热强性，沿轴向、径向均匀一致 的综合力学性能淬透性。,常用钢：汽轮机叶轮常用中碳珠光体热强钢 制造。如35Cr2MoV、33Cr3WMoV钢,3、转子用钢,金属材料学-第6章 耐热钢,汽轮机叶片工作温度在450620范围，和锅炉管子工作温度相近，但要求更高的蠕变强度、耐蚀性和耐腐蚀磨损性能。 低碳的Crl3型马氏体不锈钢虽有高的抗氧化性和耐蚀性，但组织稳定性
10、较差，只能做450 以下汽轮机叶片。 在Crl3型马氏体不锈钢的基础上进一 步合金化发展了Crl2型马氏体耐热钢。,二、马氏体热强钢,1、叶片用钢,金属材料学-第6章 耐热钢,Crl2型马氏体耐热钢是通过加入钼、钨、钒、铌、氮、硼等元素来进行综合强化。 加入钨、钼后，可使Crl3型钢中Cr23C6、Cr7C3两种碳化物转变为合金碳化物，产生弥散强化。 钒、铌、钛等更强的碳化物形成元素在钢中形成MC型复合碳化物，更为稳定；并且使大多数钨、钼进入固溶体，从而提高热强性和使用温度。 加入氮，能增加沉淀强化相数量，有利于加强沉淀强化效果。 常见钢种有15Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等，工
11、作温度可在600左右。常用于大功率火力发电机组。,金属材料学-第6章 耐热钢,主要强化相是M23C6型碳化物，固溶的钨、钼和钒而提高了稳定性，高于650才开始显著聚集长大。 由于合金元素含量高，因而有很高的淬透性。 钢经1000-1050淬火，650-750回火，得到回火屈氏体或回火索氏体组织，有很高的回火稳定性。 适合制造500-580工作温度的大型热力发电设备中大口径厚壁高压锅炉蒸汽管道、汽轮机转子和涡轮叶片等。,15Cr12MoV,金属材料学-第6章 耐热钢,内燃机排气阀工作条件非常苛刻: 700850工作，受到燃气的高温腐蚀、氧化腐蚀和冲刷腐蚀磨损,热疲劳。 常用钢号有42Cr9Si2
12、、4Cr10Si2Mo，采用1050淬火加热、油冷，700左右回火，组织为回火索氏体，保持马氏体形貌特征。高于750的阀门需要采用奥氏体热强钢。,2、气阀钢,金属材料学-第6章 耐热钢,抗氧化钢用于工业炉的构件、炉底板、炉罐等。 F型是在F型不锈钢基础上发展形成。 A型抗氧化钢是在A不锈钢基础上发展起来的。 A型抗氧化钢目前主要有铬-镍系和铬-锰-氮系。铬-锰-氮系奥氏体型抗氧化钢在950以下有较好的抗氧化性，且有较高的高温强度，工艺性不如铬-镍系抗氧化钢。低镍奥氏体抗氧化钢，使用比较多的有ZG4Cr22Ni4N和G3Cr24Ni7N钢。,第三节 抗氧化性钢,金属材料学-第6章 耐热钢,本章小结,温度对钢的使用来说有很大的影响，是关键因 素。在高温条件下工作的零部件就其材料成分、 性能要求及失效机理和一般常温下的零件相比， 有很大的不同。,钢的高温强度和组织稳定性是耐热钢设计与处 理工艺的主要矛盾。从合金化考虑，主要措施有 原子结合力、强化晶界、稳定相的弥散强化。 不同合金的耐热钢有其适宜的使用温度范围。,Thank you!,
