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1、2019年11月10日星期日,1,工 程 材 料 A,第六章 耐热钢和高温合金 机电工程学院,2019年11月10日星期日,2,第六章 耐热钢和高温合金 6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢 6.2 金属的热强性 6.3 -Fe基热强钢 6.4 -Fe基热强钢,2019年11月10日星期日,3,6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢,第六章 耐热钢和高温合金,耐热钢：高温下具有高的热化学稳定性(抗腐蚀和耐腐蚀性能)和热强性的特殊钢。,种类： 1、热稳定钢 高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀而不破坏的钢种。 2、热强钢 高温下具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。 失效形式：高温下强度不
2、足、表面氧化腐蚀,2019年11月10日星期日,4,服役条件：高温下工作（影响化学稳定性、降强度） 性能要求： 1、抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化能力 2、介质中抗腐蚀能力和足够韧性 3、良好加工性能和焊接性 4、合理的组织稳定性 用 途：制造工业加热炉、 热工动力机械（如内燃机）、 石油及化工机械与设备等。,第六章 耐热钢和高温合金,6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢,2019年11月10日星期日,5,一、钢的抗氧化性能及其提高途径 失效：高温下强度不足、表面氧化腐蚀 要求：较好的热稳定性 热稳定性：钢在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀 的能力； 指标：g/m2.单位时间、单位面积上的氧化后
3、质量 增加或减少的数值表示。 在其他条件相同时，减少质量或增加质量的程度越小，热稳定性越高。,第六章 耐热钢和高温合金,6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢,2019年11月10日星期日,6,氧化机理：,第六章 耐热钢和高温合金,6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢,。,2019年11月10日星期日,7,铁氧化物：FeO、Fe2O3、Fe3O4（致密）,第六章 耐热钢和高温合金,6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢,FeO氧化物：Fe缺位固溶体，Fe离子通过FeO层易扩散，即易氧化 抗氧化措施： 防止FeO形成； 提高其形成温度； 加入合金元素Cr、Al、Si形成其致密牢固氧化物，防止Fe、O原子扩散 A
4、l、Si加入有副作用，降强度增脆性,2019年11月10日星期日,8,在钢表面生成致密稳定连续而牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜，但Al、Si明显增加钢的脆性，常与Cr一起加入；当Cr达5时，工作温度达600650，达28时，工作温度可达1100。 微量稀土(RE)元素如钇(Y)、镧(La)等，能防止高温晶界的优先氧化，明显改善耐热钢的抗氧化性。 金属表面渗Cr、Al、Si也有效提高钢抗氧化性。,6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢,5 特殊性能钢,第六章 耐热钢和高温合金,2019年11月10日星期日,9,二、热稳定钢（抗氧化钢，不起皮钢） 种类： F型热稳定钢、A型热稳定钢 F型热
5、稳定性钢：Cr13、Cr18、Cr25型 A型热稳定性钢：A型不锈钢加Si、Al而得 性能：后者较前者更好的工艺性能和热强性,第六章 耐热钢和高温合金,6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢,2019年11月10日星期日,10,牌号 典型钢种 应用 热处理工艺？,第六章 耐热钢和高温合金,6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢,2019年11月10日星期日,11,高温力学性能指标： 蠕变极限：材料在高温长期载荷下对缓慢 塑性变形（即蠕变）的抗力；以 表示 700下经1000h产生0.2%残余变形量的最大 应力。 持久强度：材料在高温长期载荷下对断裂的 抗力；以 表示在500下经10000h发生 断裂的应力
6、值。,6.2 金属的热强性,5 特殊性能钢,第六章 耐热钢和高温合金,2019年11月10日星期日,12,一、高温下金属材料力学性能特点 热强性： 高温和载荷下抵抗塑性变形能力 包括：高温下瞬时性能和长时性能 瞬时性能：高温拉伸、冲击、硬度 长时性能：蠕变极限、持久强度、应力松弛、 高温疲劳强度、冷热疲劳等,第六章 耐热钢和高温合金,6.2 金属的热强性,2019年11月10日星期日,13,二、耐热钢热强性的影响因素及其提高途径 1、影响耐热钢热强性的因素 A、软化因素 温升，原子结合力下降，扩散系数加大，组 织由亚稳定态向稳态转变。如第二相集聚长大等 B、形变断裂方式变化 低温滑移；高温有滑
7、移、扩散变形、晶界滑动和迁移 C、断裂失效 金属常温断裂：穿晶断裂（晶内强度大于晶界强度） 金属高温断裂：晶间断裂（原子扩散加速）,第六章 耐热钢和高温合金,6.2 金属的热强性,2019年11月10日星期日,14,2、提高钢的热强性途径 基体(固溶)强化元素Cr、Ni、W、Mn、Mo、Nb等，形成单相组织并提高再结晶温度。 原理：提高原子结合力，降低扩散系数 第二相沉淀强化元素V、Ti、Nb、Al等，形成细小弥散分布的稳定碳化物(VC、TiC、NbC)或稳定性更高的金属间化合物(Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Al)，获得第二相沉淀强化效果并提高组织稳定性。 原理：长时间稳定难长大，高温弥散态
8、,6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢,5 特殊性能钢,6.2 金属的热强性,第六章 耐热钢和高温合金,2019年11月10日星期日,15,2、提高钢的热强性途径 晶界强化 减少高温下晶界转动 途径： 减少晶界：控制钢晶粒度（难滑移，塑变抗力提高） 净化晶界：微量元素硼(B)与稀土(RE)元素，高熔点晶核，长大进入晶内，起净化晶界。 晶界空位填补：晶界易扩散，加B、Ti、Zr等填充晶界空位 晶界沉淀强化：晶界析出强化相，塑变滑移和断裂扩展受阻，热强性提高，如析出Cr23C6 还有：形变强化处理,第六章 耐热钢和高温合金,6.2 金属的热强性,2019年11月10日星期日,16,种类：P型热强钢、M
9、型热强钢 特点：加热或冷却时，、相间互转变， 中温使用，热强性、热稳定性、工艺性能较好、线膨胀系数小，低碳、低廉，600-650使用； 应用：制造锅炉、汽轮机、石油提炼设备等,第六章 耐热钢和高温合金,6.3 -Fe基热强钢,2019年11月10日星期日,17,一、珠光体型热强钢 分类（C含量）：低碳P热强钢、中碳P热强钢 低碳P热强钢：锅炉管道等； 中碳P热强钢：汽轮机等耐热紧固件、转子。 失效：常时间高温工作+介质腐蚀，产生组织转变和性能变化,第六章 耐热钢和高温合金,6.3 -Fe基热强钢,2019年11月10日星期日,18,组织：细片PF，在600以下工作的热工动力机械和石油化工设备。
10、碳0.10%0.40%；耐热性合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Nb等强化铁素体并防止碳化物的球化聚集长大以保证热强性。 低碳12CrMo、15CrMoV，优良的冷热加工性能，主要用做锅炉管线等，正火后使用。 中碳35CrMo、35CrMoV，调质后使用，具有优良的高温综合力学性能，用作耐热的紧固件和汽轮机转子。,6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢,5 特殊性能钢,第六章 耐热钢和高温合金,6.3 -Fe基热强钢,2019年11月10日星期日,19,热强钢的成分（牌号）、热处理、用途和机械性能,第六章 耐热钢和高温合金,6.3 -Fe基热强钢,2019年11月10日星期日,20,失效原因： 1、
11、珠光体球化和碳化物集聚长大 机理：长时间高温工作，片状碳化物球化，小颗粒集聚成大颗粒，组织软化，亚稳态向稳定态转变，C原子扩散完成。 2、钢石墨化 机理：Fe3C分解Fe和G的过程，石墨即小裂纹，降机械性能，脆断； 措施：加Cr、Ti、Nb元素阻碍C化。 3、合金元素的再分布 机理：高温下Me向碳化物扩散集聚，基体Me贫化，热强性下降。 措施：加强碳化物形成元素Ti、V、Nb等。,第六章 耐热钢和高温合金,6.3 -Fe基热强钢,2019年11月10日星期日,21,失效原因： 4、热脆性 机理：高温长时工作，韧性大幅下降，脆性断裂，即热脆性，析出新相 措施：避开脆性区工作，加W、Mo，已发生脆
12、性采用600-650高温回火快冷消除 珠光体热强钢热处理： 正火+比使用温度高100下的高温回火,第六章 耐热钢和高温合金,6.3 -Fe基热强钢,2019年11月10日星期日,22,二、马氏体热强钢 低碳高铬型，Cr13型不锈钢加入 Mo、W、V、Ti、Nb等元素而形成， 牌号有14Cr11MoV（1Cr11MoV）、 15Cr12WMoV（12Cr12WMoV)等,因这 种钢还有优良的消振性，最适宜 制造工作温度在600以下的汽 轮叶片，故又称叶片钢。,6.3 -Fe基热强钢,5 特殊性能钢,第六章 耐热钢和高温合金,汽轮机叶片,2019年11月10日星期日,23,中碳铬硅钢，42Cr9S
13、i2(4Cr9Si2,0.350.50%C)、40Cr10Si2Mo(4,0.350.45%C)等，既有良好的高温抗氧化性和热强性，还有较高的硬度和耐磨性，最适合于制造工作温度在750以下的发动机排气阀，故又称排气阀钢。 热处理：淬火形成马氏体高温回火状态下使用-回火T或回火S,6.3 -Fe基热强钢,第六章 耐热钢和高温合金,2019年11月10日星期日,24,马 氏 体 热 强 钢 钢 种 与 应 用,第六章 耐热钢和高温合金,6.3 -Fe基热强钢,2019年11月10日星期日,25,在奥氏体不锈钢的基础上加：W、Mo、V、Ti、Nb、Al等，强化奥氏体并能形成稳定的特殊碳化物或金属间化
14、合物。具有比珠光体热强钢和马氏体热强钢更高的热强性和抗氧化性，此外还有高的塑性、韧性及良好可焊性、冷塑性成形性。 常用07Cr18Ni11Ti、45Cr14Ni14W2Mo(4,0.400.50)等，用于工作高达800的各类紧固件与汽轮机叶片、发动机气阀，使用状态为固溶处理状态或时效处理状态。,二、耐热钢（常用耐热钢_奥氏体）,6.4 -Fe基热强钢,第六章 耐热钢和高温合金,2019年11月10日星期日,26,奥氏体热强钢： 一、固溶强化型 二、碳化物沉淀强化型 三、金属间化合物强化型 掌握：化学成分、牌号、 热处理工艺、机械性能、应用,第六章 耐热钢和高温合金,6.4 -Fe基热强钢,20
15、19年11月10日星期日,27,第六章 耐热钢和高温合金,6.3 -Fe基热强钢,2019年11月10日星期日,28,第六章 耐热钢和高温合金,2019年11月10日星期日,29,第六章 耐热钢和高温合金,2019年11月10日星期日,30,航空、航天工业的喷气式发动机在800以上的高温下长期承受一定的载荷工作，耐热钢已不能满足抗氧化性尤其是热强性要求，此时便应采用高温合金，它包括铁基、镍基、钴基。 1.铁基高温合金 工作温度800900的零件，使用状态为固溶或固溶时效。常用牌号如GH1131，Cr20、Ni28%、W5、Mo4左右。 2.镍基高温合金 基本性能类似于铁基高温合金，但热强性和组
16、织稳定性稍优；但价格昂贵。如GH3030，Cr20、微量的Ti、Al等元素。1000左右,二、耐热钢（常用耐热钢_高温合金）,第六章 耐热钢和高温合金,2019年11月10日星期日,31,耐磨钢： 用于制造高耐磨性零件的特殊钢种； 广义上，高碳工具钢、一部分结构钢及合金铸钢均可用于制造耐磨零件； 最重要的是：高锰耐磨钢。,三、耐磨钢,5 特殊性能钢,第六章 耐热钢和高温合金,2019年11月10日星期日,32,三、耐磨钢,5 特殊性能钢,第六章 耐热钢和高温合金,2019年11月10日星期日,33,三、耐磨钢,5 特殊性能钢,球磨机 用 于：大型水泥厂，耐火材料厂，冶炼厂，把颗粒研磨成粉状，以利于提取里边所需的矿物质。,第六章 耐热钢和高温合金,2019年11月10日星期
