金屬材料學(xué)第6章_耐熱鋼

1、 第第6 6章章 耐熱鋼耐熱鋼 蒸汽鍋爐、蒸汽渦輪，航空工業(yè)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，蒸汽鍋爐、蒸汽渦輪，航空工業(yè)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，以及航天、艦船、石油和化工等工業(yè)部門(mén)的許多工以及航天、艦船、石油和化工等工業(yè)部門(mén)的許多工作部件在高溫下工作。因?yàn)槭窃诟邷叵路?，所以作部件在高溫下工作。因?yàn)槭窃诟邷叵路?，所以這些零部件技術(shù)要求比較苛刻。通常把在高溫條件這些零部件技術(shù)要求比較苛刻。通常把在高溫條件工作的鋼稱(chēng)為耐熱鋼。工作的鋼稱(chēng)為耐熱鋼。 耐熱鋼應(yīng)具有兩方面的基本性能，一是有良好的耐熱鋼應(yīng)具有兩方面的基本性能，一是有良好的高溫強(qiáng)度和塑性，二是有足夠高的高溫穩(wěn)定性。根高溫強(qiáng)度和塑性，二是有足夠高的高溫穩(wěn)定性。根據(jù)不同

2、服役條件，常常將耐熱鋼分為熱強(qiáng)鋼和熱穩(wěn)據(jù)不同服役條件，常常將耐熱鋼分為熱強(qiáng)鋼和熱穩(wěn)定性鋼兩大類(lèi)。定性鋼兩大類(lèi)。6.1 基本概念基本概念 1 金屬的抗氧化性金屬的抗氧化性 鐵氧化物類(lèi)型有鐵氧化物類(lèi)型有FeO、Fe2O3、Fe3O4三種。三種。 FeO：結(jié)構(gòu)疏松，冷卻分解：結(jié)構(gòu)疏松，冷卻分解應(yīng)力，結(jié)合力弱，易剝落；應(yīng)力，結(jié)合力弱，易剝落； Fe2O3、Fe3O4：結(jié)構(gòu)致密，和基體結(jié)合好。：結(jié)構(gòu)致密，和基體結(jié)合好。 570以下，氧化膜由以下，氧化膜由Fe2O3和和Fe3O4組成；組成； 570以上，氧化膜由以上，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和和FeO氧化物組成，約氧化物組成，約1:10:100.

3、570以上鐵的氧化過(guò)程大大地加速，遵守以上鐵的氧化過(guò)程大大地加速，遵守拋物線規(guī)律拋物線規(guī)律形形成成規(guī)規(guī)律律二、提高鋼抗氧化性的途徑二、提高鋼抗氧化性的途徑 1、提高鋼氧化膜穩(wěn)定性提高鋼氧化膜穩(wěn)定性 FeO的形成溫度的形成溫度; FeO的形成溫度的形成溫度 , 又優(yōu)先形成穩(wěn)定氧化物又優(yōu)先形成穩(wěn)定氧化物 Cr、Al、 Si。途途徑徑例例子子 如：如：1.03Cr，F(xiàn)eO形成溫度為形成溫度為600； 1.14Si ，F(xiàn)eO形成溫度為形成溫度為 750； Cr、Al量高時(shí)，鋼的表面可生成致密的量高時(shí)，鋼的表面可生成致密的Cr2O3或或Al2O3保護(hù)膜。保護(hù)膜。2 2、形成致密、穩(wěn)定的氧化膜、形成致密、

4、穩(wěn)定的氧化膜 Cr、Al、Si、Ti等，逐步形成以合金元等，逐步形成以合金元素氧化物為主或合金元素氧化物的氧化膜，素氧化物為主或合金元素氧化物的氧化膜， 如如Al2O3、SiO2、Cr2O3等等致密、穩(wěn)定。致密、穩(wěn)定。常用合金元素對(duì)工業(yè)純鐵蠕變極限的影響常用合金元素對(duì)工業(yè)純鐵蠕變極限的影響6.1.2 6.1.2 鋼的熱強(qiáng)性鋼的熱強(qiáng)性一、鋼的熱強(qiáng)性能指標(biāo)一、鋼的熱強(qiáng)性能指標(biāo)1 1、蠕變及蠕變極限、蠕變及蠕變極限70010000/ 1 蠕變極限是試樣在一定溫度下和在規(guī)定的蠕變極限是試樣在一定溫度下和在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的蠕變變形量（總的或殘余持續(xù)時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的蠕變變形量（總的或殘余的）或蠕變速

5、率等于某規(guī)定值時(shí)的最大應(yīng)力。的）或蠕變速率等于某規(guī)定值時(shí)的最大應(yīng)力。 例如：例如： , 表示在表示在700時(shí)，持續(xù)時(shí)間為時(shí)，持續(xù)時(shí)間為 10000 h，產(chǎn)生蠕變總變形量為，產(chǎn)生蠕變總變形量為1%的蠕變極限。的蠕變極限。2 2、持久強(qiáng)度、持久強(qiáng)度 持久強(qiáng)度極限是試樣在一定溫度和規(guī)定的持續(xù)時(shí)持久強(qiáng)度極限是試樣在一定溫度和規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)引起斷裂的最大應(yīng)力值，間內(nèi)引起斷裂的最大應(yīng)力值， 如：如： =300MPa=300MPa，表示在，表示在700700時(shí)，持續(xù)時(shí)間時(shí)，持續(xù)時(shí)間為為100 h100 h的持久強(qiáng)度極限值為的持久強(qiáng)度極限值為300 MPa300 MPa。3 3、高溫疲勞強(qiáng)度、高溫疲勞強(qiáng)度

6、在高溫疲勞時(shí)只有條件疲勞極限，即把在某一規(guī)在高溫疲勞時(shí)只有條件疲勞極限，即把在某一規(guī)定的循環(huán)次數(shù)（一般采用定的循環(huán)次數(shù)（一般采用107108次）下而不斷裂時(shí)次）下而不斷裂時(shí)的最大應(yīng)力作為疲勞極限。的最大應(yīng)力作為疲勞極限。7001004 4、應(yīng)力松弛、應(yīng)力松弛 應(yīng)力松弛現(xiàn)象是在具有恒定總變形的零件中，應(yīng)力松弛現(xiàn)象是在具有恒定總變形的零件中，隨時(shí)間延長(zhǎng)而自行降低應(yīng)力的現(xiàn)象。隨時(shí)間延長(zhǎng)而自行降低應(yīng)力的現(xiàn)象。蒸汽管道螺栓蒸汽管道螺栓需要經(jīng)常擰緊需要經(jīng)常擰緊 原子易發(fā)生擴(kuò)散，原子易發(fā)生擴(kuò)散，使彈性變形變成了使彈性變形變成了塑性變形塑性變形, ,從而使從而使應(yīng)力不斷降低應(yīng)力不斷降低二、提高熱強(qiáng)性的途徑二、

7、提高熱強(qiáng)性的途徑1 1、強(qiáng)化基體、強(qiáng)化基體基體金屬熔點(diǎn)基體金屬熔點(diǎn)：T熔，熔，金屬原子間結(jié)合力。金屬原子間結(jié)合力。 鐵、鎳、鉬基是依次鐵、鎳、鉬基是依次合金晶格類(lèi)型合金晶格類(lèi)型：fcc-Fe bcc-Fe, 奧氏體型鋼要比奧氏體型鋼要比 F、M、P型鋼的蠕變抗力高型鋼的蠕變抗力高固溶體結(jié)合力固溶體結(jié)合力：合金化：合金化固溶體原子間結(jié)合固溶體原子間結(jié)合 力，力，Mo、Cr、Mn、Si作用較大作用較大2 2、強(qiáng)化晶界、強(qiáng)化晶界凈化晶界：雜質(zhì)易偏聚在晶界，形成易熔夾雜物凈化晶界：雜質(zhì)易偏聚在晶界，形成易熔夾雜物 晶界強(qiáng)度。晶界強(qiáng)度。RE、B優(yōu)先結(jié)合雜質(zhì)，形成優(yōu)先結(jié)合雜質(zhì)，形成 高熔點(diǎn)化合物，異質(zhì)晶核

8、高熔點(diǎn)化合物，異質(zhì)晶核從晶界轉(zhuǎn)入晶內(nèi)從晶界轉(zhuǎn)入晶內(nèi)填充空位：晶界上空位多，原子易快速擴(kuò)散。填充空位：晶界上空位多，原子易快速擴(kuò)散。B 易偏聚晶界，易偏聚晶界，晶界空位。晶界空位。3 3、彌散強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化 彌散質(zhì)點(diǎn)，彌散質(zhì)點(diǎn)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)度強(qiáng)度 有效有效性和程度的關(guān)鍵是質(zhì)點(diǎn)的性質(zhì)、大小、分布、性和程度的關(guān)鍵是質(zhì)點(diǎn)的性質(zhì)、大小、分布、穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。 珠光體熱強(qiáng)鋼的蠕變強(qiáng)度珠光體熱強(qiáng)鋼的蠕變強(qiáng)度4 4、熱處理、熱處理6.1.3 6.1.3 耐熱鋼的合金化耐熱鋼的合金化 Cr：鋼抗氧化性主要元素。形成致密而穩(wěn)定的鋼抗氧化性主要元素。形成致密而穩(wěn)定的 Cr2O3。T，Cr。如。如60065

9、0，需要，需要 5%Cr ；800時(shí)，為時(shí)，為12%Cr。固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化Mo、W：低合金熱強(qiáng)性重要元素。固溶強(qiáng)化，低合金熱強(qiáng)性重要元素。固溶強(qiáng)化， 析出穩(wěn)定相。析出穩(wěn)定相。Al：抗氧化性的有效元素?？寡趸缘挠行г亍?在在1000時(shí)，時(shí)， 6%Al18%Cr水平。水平。冶金工冶金工 藝性，使鋼變脆。藝性，使鋼變脆。 不能單獨(dú)加入，作為輔助不能單獨(dú)加入，作為輔助 合金化元素。合金化元素。Si：抗氧化性的輔助元素。但效果比抗氧化性的輔助元素。但效果比Al還要有還要有 效，使鋼脆性大，用效，使鋼脆性大，用Si代替部分代替部分Cr。G化，化， K聚集長(zhǎng)大。一般在聚集長(zhǎng)大。一般在23%Si。 用于滲

10、碳罐，抗?jié)B性好。用于滲碳罐，抗?jié)B性好。 Ni：獲得奧氏體組織：獲得奧氏體組織 Ti、Nb、V：形成穩(wěn)定：形成穩(wěn)定K，鋼松弛穩(wěn)定性，鋼松弛穩(wěn)定性， 熱強(qiáng)性熱強(qiáng)性 C：較低溫度時(shí)強(qiáng)化鋼，：較低溫度時(shí)強(qiáng)化鋼，G化，化，K聚集長(zhǎng)聚集長(zhǎng) 大大 盡可能盡可能C。6.2 6.2 熱強(qiáng)鋼熱強(qiáng)鋼6.2.1 6.2.1 珠光體熱強(qiáng)鋼珠光體熱強(qiáng)鋼 按用途主要有鍋爐鋼管、緊固件和轉(zhuǎn)子用按用途主要有鍋爐鋼管、緊固件和轉(zhuǎn)子用鋼等幾大類(lèi)。鋼等幾大類(lèi)。一、鍋爐鋼管用珠光體熱強(qiáng)鋼一、鍋爐鋼管用珠光體熱強(qiáng)鋼 高溫和高壓，高溫?zé)煔夂退羝邷睾透邏?，高溫?zé)煔夂退羝? ,安全可靠安全可靠 抗氧化和耐蝕，組織穩(wěn)定抗氧化和耐蝕，組織穩(wěn)

11、定, ,工藝性能好工藝性能好 普遍普遍問(wèn)題問(wèn)題 組織不穩(wěn)定，如片狀組織不穩(wěn)定，如片狀P球化、球化、K長(zhǎng)長(zhǎng)大、大、G化，化， 強(qiáng)度強(qiáng)度，管子爆裂，管子爆裂合金合金化化 0.2%C 球化、球化、K長(zhǎng)大、長(zhǎng)大、G化化 采用采用 Cr- Mo- V系系 Mo、W 、Cr 固溶強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化，K長(zhǎng)大和長(zhǎng)大和G化，化，Cr抗氧化性和耐蝕性；抗氧化性和耐蝕性；VTi直接作用直接作用間接作用間接作用形成穩(wěn)定形成穩(wěn)定MC型型K，彌散強(qiáng)化，彌散強(qiáng)化，熱強(qiáng)度熱強(qiáng)度使更多使更多Mo、W 、Cr固溶，固溶，熱強(qiáng)度熱強(qiáng)度 典型鋼號(hào)典型鋼號(hào)12Cr1MoVG是用量較大的鋼管是用量較大的鋼管材料，材料，15CrMo、12Cr

12、MoV 等等二、緊固件用珠光體熱強(qiáng)二、緊固件用珠光體熱強(qiáng) 緊緊固固件件處于初緊預(yù)應(yīng)處于初緊預(yù)應(yīng)力狀態(tài)工作力狀態(tài)工作高的屈服強(qiáng)度、高的屈服強(qiáng)度、松弛穩(wěn)定性，松弛穩(wěn)定性，缺口敏感性小，缺口敏感性小，一定抗氧化性一定抗氧化性CCr/ Mo/ V常用鋼：常用鋼：35CrMoV、25Cr2MoV鋼常用作中壓鋼常用作中壓 氣輪機(jī)的螺栓和螺母材料，氣輪機(jī)的螺栓和螺母材料，25Cr2Mo1V鋼鋼 在高壓電廠中廣泛使用在高壓電廠中廣泛使用三、轉(zhuǎn)子用鋼三、轉(zhuǎn)子用鋼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子主軸、葉輪主軸、葉輪或整鍛轉(zhuǎn)子或整鍛轉(zhuǎn)子過(guò)熱蒸汽，復(fù)雜應(yīng)過(guò)熱蒸汽，復(fù)雜應(yīng)力（扭力（扭/彎彎/熱等）熱等） 熱強(qiáng)性，沿軸向、徑向均勻一致熱強(qiáng)性，沿

13、軸向、徑向均勻一致的綜合力學(xué)性能的綜合力學(xué)性能淬透性。淬透性。常用鋼：汽輪機(jī)葉輪常用中碳珠光體熱強(qiáng)鋼常用鋼：汽輪機(jī)葉輪常用中碳珠光體熱強(qiáng)鋼 制造。如制造。如35Cr2MoV、33Cr3WMoV鋼鋼6.2.2 6.2.2 馬氏體熱強(qiáng)鋼馬氏體熱強(qiáng)鋼一、葉片用鋼一、葉片用鋼 在在Crl3型馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)一步型馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)一步合金化發(fā)展了合金化發(fā)展了Crl2型馬氏體耐熱鋼。型馬氏體耐熱鋼。 15Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等，等，工作溫度可在工作溫度可在600左右。左右。 常用于大功率火力發(fā)電機(jī)組。常用于大功率火力發(fā)電機(jī)組。 二、氣閥鋼二、氣閥鋼內(nèi)燃機(jī)排氣閥工作條件非常

14、苛刻內(nèi)燃機(jī)排氣閥工作條件非常苛刻: : 700850工作，受到燃?xì)獾母邷馗g、工作，受到燃?xì)獾母邷馗g、氧化腐蝕和沖刷腐蝕磨損氧化腐蝕和沖刷腐蝕磨損,熱疲勞熱疲勞 . 常用鋼號(hào)有常用鋼號(hào)有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo，采，采用用1050淬火加熱、油冷，淬火加熱、油冷，700左右回左右回火，組織為回火索氏體，保持馬氏體形貌火，組織為回火索氏體，保持馬氏體形貌特征。高于特征。高于750的閥門(mén)需要的閥門(mén)需要采用奧氏體型采用奧氏體型熱強(qiáng)鋼，熱強(qiáng)鋼， 6.36.3 抗氧化鋼抗氧化鋼 抗氧化鋼用于工業(yè)爐的構(gòu)件、爐底板、爐罐等抗氧化鋼用于工業(yè)爐的構(gòu)件、爐底板、爐罐等. . F型是在型是在F型不銹鋼型

15、不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展形成?；A(chǔ)上發(fā)展形成。 A型抗氧化鋼是在型抗氧化鋼是在A不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 A A型抗氧化鋼目前主要有鉻型抗氧化鋼目前主要有鉻- -鎳系和鉻鎳系和鉻- -錳錳- -氮系。氮系。鉻鉻- -錳錳- -氮系奧氏體型抗氧化鋼在氮系奧氏體型抗氧化鋼在950950以下有較以下有較好的抗氧化性，且有較高的高溫強(qiáng)度，工藝性不如好的抗氧化性，且有較高的高溫強(qiáng)度，工藝性不如鉻鉻- -鎳系抗氧化鋼。低鎳奧氏體抗氧化鋼，使用比較鎳系抗氧化鋼。低鎳奧氏體抗氧化鋼，使用比較多的有多的有ZG4Cr22Ni4N和和 ZG3Cr24Ni7N鋼，經(jīng)濟(jì)鋼，經(jīng)濟(jì). . 本章小結(jié)本章小結(jié) 溫度對(duì)鋼的使用來(lái)說(shuō)有很大的影響，是關(guān)鍵因溫度對(duì)鋼的使用來(lái)說(shuō)有很大的影響，是關(guān)鍵因素。在高溫條件下工作的零部件就其材料成分、素。在高溫條件下工作的零部件就其材料成分、性能要求及失效機(jī)理和一般常溫下的零件相比，性能要求及失效機(jī)理和一般常溫下的零件相比，有很大的不同。有很大的不同。 鋼的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性是耐熱鋼設(shè)計(jì)與處鋼的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性是耐熱鋼設(shè)計(jì)與處理工藝的主要矛盾。從合金化考慮，主要措施有理工藝的主要矛盾。從合金化考慮，主要措