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1、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 定性钢两大类。,6.1 基本概念,1 金属的抗氧化性 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Fe
2、3O4组成； 570以上，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO 氧化物组成，约1:10:100. 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,二、提高钢抗氧化性的途径 1、提高钢氧化膜稳定性,FeO的形成温度; FeO的形成温度 , 又优先形成稳定氧化物 Cr、Al、 Si。,途 径,例 子,如：1.03Cr，FeO形成温度为600； 1.14Si ，FeO形成温度为 750； Cr、Al量高时，钢的表面可生成致密的 Cr2O3或Al2O3保护膜。,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Al2
3、O3、SiO2、Cr2O3等致密、稳定。,常用合金元素对工业纯铁蠕变极限的影响,6.1.2 钢的热强性,一、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。,例如： , 表示在700时，持续时间为 10000 h，产生蠕变总变形量为1%的蠕变极限。,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， 如： =300MPa，表示在700时，持续时间 为100 h的持久强度极限值为300 MPa。 3、高温疲劳强度 在高温疲劳时只有条件疲劳极限，即把在某一
4、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。,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。,蒸汽管道螺栓 需要经常拧紧,原子易发生扩散， 使弹性变形变成了 塑性变形,从而使 应力不断降低,二、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,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、
5、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。,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,6.1.3 耐热钢的合金化,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。,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
6、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。 用于渗碳罐，抗渗性好。,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。,6.2 热强钢,6.2.1 珠光体热强钢 按用途主要有锅炉钢管、紧固件和转子用 钢等几大类。 一、锅炉钢管用珠光体热强钢 高温和高压，高温烟气和水蒸汽,安全可靠 抗氧化和耐蚀，组织稳定,工艺性能好,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
7、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；,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,二、紧固件用珠光体热强,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：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,三、转子用钢,转 子,主轴、叶轮 或整锻转子,
8、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,6.2.2 马氏体热强钢,一、叶片用钢 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。 15Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等， 工作温度可在600左右。 常用于大功率火力发电机组。,二、气阀钢,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4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo，采 用1050淬火加热、油冷
9、，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型 热强钢，,6.3 抗氧化钢,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 ZG3Cr24Ni7N钢，经济.,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。,
