金屬材料第六章第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第六章耐熱鋼引言耐熱鋼概念：在高溫下工作并具有一定強度和抗氧化、耐腐蝕能力的鋼種。各種動力機械，如熱電站中的鍋爐和蒸汽輪機、航空和艦艇用的燃汽輪機以及原子反應堆工程等結構中的結構件是在高溫狀態下工作。要求鋼在高溫下應具有：抗蠕變、抗熱松弛和熱疲勞性能及抗氧化性能；在一定介質中耐腐蝕的能力以及足夠的韌性；具有良好的加工性能及焊接性；按照不同用途具有合理的組織穩定性。第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四主要包括:熱穩定性鋼：高溫下抗氧化、抗高溫介質腐蝕的鋼種。爐底板、爐柵失效形式為高溫氧化，承載不大。熱強鋼：高溫下具有一定抗氧化性并具有足夠的強度而不產生大量變形和斷裂的鋼種。高溫螺栓、渦輪葉片第六章耐熱鋼引言第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第六章耐熱鋼第一節鋼的熱穩定性和熱穩定鋼一、鋼的熱穩定性及其提高途徑鋼的熱穩定性是指鋼在高溫下抗氧化或抗高溫介質腐蝕的能力。鋼的抗氧化性高低一般用單位時間、單位面積上氧化后質量增加或減少的數值表示，單位為g/m2。質量增加常用于冷卻后氧化物仍然緊密附著在金屬表面上的材料，如高合金鋼的氧化。質量減少常用于碳鋼、低合金鋼或氧化物容易剝落的材料。減小質量或增加質量的程度越小，鋼的穩定性越高。第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四提高鋼熱穩定性的合金化原理含碳量：在0.1~0.2%左右，碳過高會形成Cr23C6等碳化物，妨礙鋼表面氧化膜的連續性主加元素：Cr,Ni,Mn，目的是形成單相組織，提高基體電極電位，形成鈍化膜，其中Cr是最主要的提高鋼抗氧化性的元素輔加元素：Al,Si等，形成Al2O3,SiO2等鈍化膜，但含量不能太高，否則會增加鋼的脆性第六章耐熱鋼第一節鋼的熱穩定性和熱穩定鋼第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第六章耐熱鋼第一節鋼的熱穩定性和熱穩定鋼二、主要鋼種1.鐵素體型熱穩定性鋼在鐵素體不銹鋼基礎上加入Si,Al，進一步提高鋼的抗氧化性鋼種：Cr13Si3,Cr18Si2,Cr25Si2,Cr13SiAl等特點：抗氧化性很好，但晶粒粗大，韌性低用途：低于800~1000C下工作的爐用構件第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第六章耐熱鋼第一節鋼的熱穩定性和熱穩定鋼二、主要鋼種2.奧氏體型熱穩定性鋼（1）在奧氏體不銹鋼基礎上加入Si,Al，如Cr18Ni25Si2等特點：工藝性能好，抗氧化性好，熱強性好，但太貴了使用溫度達到1100C的爐用構件、滲碳箱等（2）Fe-Al-Mn型（無鉻鎳抗氧化鋼），如6Mn18Al5Si2Ti特點：便宜，但抗氧化能力較差使用溫度達到950C的爐用構件（3）Cr-Mn-N型，如Cr20Mn9Ni2Si2N特點：工藝性能好，抗氧化性好，承載能力均較好使用溫度850~1050C的爐用構件第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第六章耐熱鋼熱強性：鋼在高溫和載荷共同作用下抵抗塑性變形和

破壞的能力。一、高溫下金屬材料的力學性能熱強性包括材料高溫條件下的瞬時性能和長時性能。瞬時性能：加熱到一定溫度，保溫一定時間（使試樣熱透）后的力學性能。如高溫拉伸、高溫沖擊和高溫硬度等。長時性能：材料在高溫及載荷共同長時間作用下所測得的性能。常見的性能指標有蠕變極限、持久強度、應力松弛、高溫疲勞強度和冷熱疲勞。第二節金屬的熱強性1.蠕變：材料在一定應力作用下緩慢地產生塑性變形的現象第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第六章耐熱鋼第二節金屬的熱強性一、高溫下金屬材料的力學性能2.蠕變蠕變機制（2）位錯運動（3）晶界滑動（4）擴散形變（1）基體軟化第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第六章耐熱鋼第二節金屬的熱強性一、高溫下金屬材料的力學性能1.蠕變蠕變極限：高溫及長期載荷作用下材料的塑性變形抗力指標，有兩種表示方法：一定溫度下，使試樣產生規定蠕變速率的應力值一定溫度下，在規定的時間t內使試樣產生一定蠕變伸長的應力值2.持久強度在給定溫度下，恰好使材料經過規定時間發生斷裂的應力值第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第六章耐熱鋼第二節金屬的熱強性二、鋼熱強性的影響因素及其提高途徑1.影響耐熱鋼熱強性的因素影響耐熱鋼的軟化因素。隨著溫度的升高，鋼的原子間結合力降低，原子擴散系數增大，從而導致鋼的組織由亞穩態向穩定態過渡。形變斷裂方式的變化。低溫時滑移方式；高溫時滑移、擴散形變及晶界的滑動與遷移第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第六章耐熱鋼第二節金屬的熱強性2、鋼熱強性的提高途徑（1）阻礙基體軟化過程提高鋼的回復和再結晶溫度-Fe的再結晶溫度為450~600C，-Fe再結晶溫度為800C阻礙原子的擴散選擇原子排列密集的結構奧氏體鋼912C時，-Fe的自擴散系數是-Fe的240倍Ni在-Fe中的擴散系數比在-Fe中高1400倍527C時，N在-Fe中的擴散系數比在-Fe中高1500倍加入自擴散慢且又阻礙鐵原子擴散的元素Mo,W,Co等阻礙刃位錯的攀移（如何實現？）選擇奧氏體鋼加入降低奧氏體層錯能的元素：Cr,Mo等第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第六章耐熱鋼第二節金屬的熱強性二、提高鋼熱強性的途徑（2）提高鋼材的高溫變形抗力增加位錯運動的阻力固溶強化：加入熔點高、擴散激活能大的元素(Cr,W,Nb等)第二相強化：加入合金元素，形成高溫下穩定的第二相粒子加入強碳化物形成元素：Cr,W,Mo,Nb,Ti等加入形成金屬間化合物的元素：Al,Ni,Ti等增加晶界滑動阻力凈化晶界：S,P等在晶界偏聚使晶界弱化，應盡量降低其含量（如何降低？）加入B、稀土等元素，形成高熔點穩定化合物，作為晶核，使易熔雜質從晶界轉入晶內。填補晶界上的空位：主要是加入B元素可填充晶界空位，阻礙晶界原子擴散晶界沉淀強化：如在晶界上形成Cr23C6釘扎晶界的運動減少晶界數量：晶粒度在2~4級比較好第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第六章耐熱鋼一、珠光體熱強鋼在650C以下有較好的熱強性，而且工藝性能好，價格便宜1.低碳珠光體耐熱鋼（鍋爐管子用鋼）碳含量：0.08~0.2wt%主加元素：Cr,Mo，主要起固溶強化作用，同時阻礙擴散過程輔加元素：V,Ti,B，形成穩定的碳化物，強化晶界代表鋼種：12CrMoV使用溫度：不超過580C第三節熱強鋼2.中碳珠光體耐熱鋼（緊固件及汽輪機轉子用鋼）碳含量：0.2~0.4wt%代表鋼種：25Cr2MoVA,20Cr1Mo1VTiB第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.珠光體型熱強鋼工作過程中產生的組織變化珠光體的球化和碳化物的聚集片狀碳化物轉變成球狀，分散細小的碳化物聚集成大顆粒的碳化物。鋼的石墨化在工作溫度和應力長期作用下，鋼件會使碳化物分解成游離的石墨，自發進行合金元素的再分布長期工作時，會發生合金元素的再分配，碳化物形成元素Cr、Mo向碳化物內擴散、富集，造成固溶體合金元素貧化，導致熱強性下降。熱脆性熱脆性與該溫度下某種新相的析出有關。防止熱脆性的措施：使鋼的長期工作溫度避開脆性區溫度；冶煉時盡量降低wN、wP;已發生熱脆性的鋼，可采用600～650℃高溫回火后快冷的方法消除。第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第六章耐熱鋼二、馬氏體熱強鋼燃汽輪機葉片用鋼：承受復雜應力（離心力、彎矩、拉力等），承受高壓蒸汽沖刷，要求高的耐腐蝕性、熱強性、耐磨性和高的抗氧化性由Cr13型馬氏體不銹鋼發展起來輔加元素：Mo,W,V、B等代表鋼種：2Cr13,15Cr12WMoVA使用溫度：不超過620C第三節熱強鋼2.內燃機排氣閥用鋼：使用溫度更高、腐蝕更嚴重碳含量：0.4wt%左右主要合金元素為Cr,Si,Mo等代表鋼種：4Cr9Si2,4Cr10Si2Mo使用溫度：不超過700C第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第六章耐熱鋼三、奧氏體熱強鋼第三節熱強鋼優點：使用溫度高、可焊性好、塑韌性好、熱穩定性好缺點：室溫屈服強度低、切削加工性能差、導熱性差、熱疲勞性能差珠光體、馬氏體類熱強鋼一般使用溫度再650℃以下，不適于更高溫度。原因是其基體為鐵素體，先天不足。奧氏體基鋼比鐵素體鋼具有更高的熱強性的原因：g-Fe晶格的原子間結合力比a-Fe晶格的原子間結合力大；g-Fe擴散系數小；g-Fe的再結晶溫度高（a-Fe再結晶溫度為450～600℃，而g-Fe再結晶溫度大于800℃）。第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四1.固溶強化型由Cr-Ni奧氏體不銹鋼發展起來輔加元素：Mo,W,Nb等代表鋼種：1Cr18Ni9Mo,1Cr14Ni9W2Nb使用條件：不超過800C，承載較小2.碳化物沉淀強化型碳含量：0.4wt%左右成份特點：高Cr(25wt%),高Ni(35wt%)代表鋼種：4Cr25Ni35,4Cr25Ni35WNb使用溫度：不超過600~1050C第23頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.金屬間化合物強化熱強鋼（鐵基高溫合金）碳含量：0.08％合金中的強化相是金屬間化合物g’-Ni3(TiAl)、Ni3Ti，故wNi較高（25％～40％），同時含有Al、Ti、Mo、V、B等合金元素。為了使g’相具有較好的強化效果，需要進行適當熱處理。如GH132: