耐熱鋼和鐵基高溫合金課件

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金主要內容第一節(jié)珠光體型熱強鋼第二節(jié)馬氏體型熱強鋼第三節(jié)鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型耐熱鋼第四節(jié)鐵基高溫合金Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金主要內容Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金基本要求：了解耐熱金屬材料的工作條件及性能特點；耐熱鋼及鐵基高溫合金的合金化及其熱處理；常用耐熱鋼和鐵基高溫合金。重點和難點：耐熱鋼及鐵基高溫合金的性能特點及合金化原理。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金基本要求：Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金背景:耐熱鋼和高溫合金是指在高溫下工作并具有一定強度和抗氧化、耐腐蝕能力的金屬材料。6.0引言6.0引言Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金背景:6.0引言6.0引言Chapter6耐熱對蒸汽輪機和鍋爐來講：在本世紀30~40年代蒸汽溫度不過400~450℃，蒸汽壓力不過近100大氣壓；現(xiàn)在蒸汽溫度已達650℃，蒸汽壓力也高達340大氣壓以上，因此所使用的金屬材料也從低碳鋼發(fā)展到復雜的各類合金鋼。6.0引言Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金對蒸汽輪機和鍋爐來講：6.0引言Chapter6耐熱耐熱鋼的分類按合金元素多少可分為兩類：一類是在低合金結構鋼基礎上發(fā)展起來的低合金珠光體型熱強鋼；另一類是在不銹鋼基礎上發(fā)展起來的高合金專用耐熱鋼。專用耐熱鋼按對使用性能的要求可以分為：熱強鋼和熱穩(wěn)定鋼。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言耐熱鋼的分類Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0熱強鋼是指在高溫下有一定抗氧化能力并具有足夠強度而不產生大量變形或斷裂的鋼種，如高溫螺栓、渦輪葉片等。它們工作時要求承受較大的載荷，失效的主要原因是高溫下強度不夠。熱強鋼廣泛用于制造鍋爐管道、緊固件、汽輪機轉子、葉片、排氣閥等。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言熱強鋼是指在高溫下有一定抗氧化能力并具有足夠強度而不產生大量熱穩(wěn)定鋼是指在高溫下抗氧化或抗高溫介質腐蝕而不破壞的鋼種，如爐底、爐柵等。它們工作時的主要失效形式是高溫氧化，而單位面積上承受的載荷并不大，故又稱抗氧化鋼。熱穩(wěn)定鋼廣泛用于工業(yè)爐中的構件、爐底板、馬弗罐、料架、輻射管等。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言熱穩(wěn)定鋼是指在高溫下抗氧化或抗高溫介質腐蝕而不破壞的鋼種，如按組織的晶體結構特征可以分為：奧氏體型鐵素體型馬氏體型沉淀硬化型Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言按組織的晶體結構特征可以分為：Chapter6耐熱鋼和奧氏體型、鐵素體型鋼大都用于要求抗氧化性較高的場合；馬氏體型和沉淀硬化型鋼則多用于要求高溫強度較高的場合。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言奧氏體型、鐵素體型鋼大都用于要求抗氧化性較高的場合；Chap由于珠光體型熱強鋼、馬氏體型熱強鋼在加熱和冷卻時會發(fā)生相變，所以要進一步提高使用溫度受到限制。更高溫度下則須使用奧氏體型熱強鋼和高溫合金。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言由于珠光體型熱強鋼、馬氏體型熱強鋼在加熱和冷卻時會發(fā)生相變，由于珠光體型熱強鋼、馬氏體型熱強鋼在中溫下有較好的熱強性、熱穩(wěn)定性及工藝性能，線膨脹系數(shù)小，含碳量也較低，價格低廉，廣泛應用于制造鍋爐、汽輪機及石油提煉設備等，是適宜在600℃~650℃以下溫度使用的熱強鋼。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言由于珠光體型熱強鋼、馬氏體型熱強鋼在中溫下有較好的熱強性、熱現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了超音速飛機，其發(fā)動機的工作溫度高達1200℃，從而，出現(xiàn)了各類鎳基、鈷基合金。由此可見，根據(jù)工程結構的要求不同，耐熱鋼和高溫合金的使用溫度范圍是十分寬廣的，從幾百度到千度以上。一般來講，耐熱鋼和高溫合金工作溫度是指該金屬或合金的（0.3~0.5）T熔點℃以上的溫度。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了超音速飛機，其發(fā)動機的工作溫度高達1高溫合金的分類按基體元素分類：以鐵為主，加入的合金元素總量超過50％的鐵基合金稱為鐵基高溫合金；類似地，以鎳為主的合金稱為鎳基高溫合金。以鈷為主的稱為鈷基高溫合金。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言高溫合金的分類Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.按制備工藝分類變形高溫合金餅材、棒材、板材、環(huán)形件、管材、帶材和絲材等；鑄造高溫合金普通精密鑄造合金、定向凝固高溫合金、單晶凝固高溫合金粉末冶金高溫合金普通粉末冶金高溫合金、氧化物彌散強化高溫合金Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言按制備工藝分類Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.按強化方式分類固溶強化型沉淀強化型金屬間化合物氧化物彌散強化型纖維強化型等。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言按強化方式分類Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.按使用特性，高溫合金又可分為高強度合金高屈服強度合金抗松弛合金低膨脹合金抗熱腐蝕合金等等。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金按使用特性，高溫合金又可分為Chapter6耐熱鋼和鐵鐵基、鈷基和鎳基合金的使用溫度一般不超過1000℃；溫度再高就必須選用難熔金屬（指熔點高于1650℃的金屬）或其合金了。本章主要講述耐熱鋼和鐵基高溫合金。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言鐵基、鈷基和鎳基合金的使用溫度一般不超過1000℃；Chap珠光體型熱強鋼是合金結構鋼中的一部分鋼種，其特點是：碳含量較低，工藝性、導熱性好，熱處理工藝簡單，價格便宜；使用少量的合金元素固溶強化和改善Fe2O3氧化膜的穩(wěn)定性；在500℃~620℃以下具有良好的熱強性。6.1珠光體型熱強鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼珠光體型熱強鋼是合金結構鋼中的一部分鋼種，其特點是：6.1珠光體型熱強鋼按碳含量和應用特點又可分為低碳珠光體熱強鋼中碳珠光體熱強鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼珠光體型熱強鋼按碳含量和應用特點又可分為Chapter6一、低碳珠光體型熱強鋼這類鋼對應于普通低合金高強度結構鋼，要求有制管、焊管、冷彎等良好工藝性能。由于這類鋼主要用于制作鍋爐鋼管，對于鍋爐鋼管來說，管內是具有一定壓力的過熱蒸汽，外壁接觸火焰。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼一、低碳珠光體型熱強鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫要求500℃~600℃左右的高溫持久強度和一定的抗氧化性。合金化：低碳鋼稍加合金化即能符合這些要求。經過多年來的研究和工業(yè)實踐，形成了一些典型鋼種。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼要求500℃~600℃左右的高溫持久強度和一定的抗氧化性。C典型鋼種：12Cr1MoV用于540℃的導管或580℃的過熱蒸汽管。12Cr2MoWSiVTiB用于600℃~620℃的過熱器管。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼典型鋼種：Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.11．低碳珠光體型熱強鋼的合金化（1）低碳，即這類鋼的碳含量一般為0.08%~0.20%。低碳使鋼具有良好的加工工藝性能（如容易軋制、穿管、拉拔、延伸、焊接、冷彎等）。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼1．低碳珠光體型熱強鋼的合金化Chapter6耐熱鋼和低碳—使鋼基體組織為大量的鐵素體，利用鐵素體的高熔點和組織穩(wěn)定性的特點獲得良好的耐熱性；使鋼中碳化物數(shù)量相對較少，鋼中的珠光體不易發(fā)生球化，珠光體中的滲碳體也不易發(fā)生石墨化，這有利于組織穩(wěn)定。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼低碳—Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光（2）加入合金元素加入合金元素固溶強化鐵素體基體（包括珠光體和索氏體中的鐵素體），以提高鋼的熱強性和再結晶溫度；Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼（2）加入合金元素Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金固溶強化的主加合金元素是鉻和鉬，輔加元素是V、Ti、Nb、W等。主加元素鉻和鉬是鐵素體基體的最有效的強化元素，使這類鋼的熱強性大為提高。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼固溶強化的主加合金元素是鉻和鉬，輔加元素是V、Ti、Nb、W輔加元素是V、Ti、Nb、W等減少主加合金元素的再分配趨勢。僅經過鉻和鉬固溶強化的鐵素體在工作溫度和應力的長期作用下，會緩慢地向碳化物中富集，而鐵和錳等其它元素則被排擠到固溶體中去，產生合金元素在使用過程中的再分配現(xiàn)象。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼輔加元素是V、Ti、Nb、W等減少主加合金元素的再分配趨勢。合金元素的再分配將導致固溶體中的主加強化元素減少，熱強性下降。為此鋼中還需加入一定量的輔加元素，以減少合金元素的再分配趨勢，如常加入的輔加元素主要有V、Ti、Nb等，這些合金元素與碳形成穩(wěn)定的碳化物，使鉻和鉬等的固溶強化元素難以發(fā)生向碳化物轉移的再分配現(xiàn)象，從而保持固溶體的強化特性。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼合金元素的再分配將導致固溶體中的主加強化元素減少，熱強性下降必須指出的是，還可以采用復合固溶強化，比如在鋼中同時加入鉬、鎢、鉻等合金元素，利用這些元素的復合作用，不僅提高了固溶體中的原子間結合力，而且還使擴散困難，阻礙合金元素發(fā)生再分配。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼必須指出的是，還可以采用復合固溶強化，比如在鋼中同時加入鉬、利用合金元素形成第二相并強化第二相，如加入合金元素形成一定數(shù)量碳化物，并通過合金化穩(wěn)定碳化物，使形成的碳化物不僅在高溫下不易球化和石墨化，而且在400℃~620℃形成彌散分布的、穩(wěn)定性高的、不易聚集長大的碳化物，保持彌散強化作用。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼利用合金元素形成第二相并強化第二相，如加入合金元素形成一定數(shù)對于第二相強化，合金化的主要目的不僅是獲得一定數(shù)量的強碳化物相，更重要的是阻止珠光體的球化和碳化物的聚集，阻止鋼中的C發(fā)生石墨化，保證并促進碳化物彌散強化。影響碳化物球化及聚集長大的主要因素是服役溫度、時間和材料的化學成分。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼對于第二相強化，合金化的主要目的不僅是獲得一定數(shù)量的強碳化物就化學成分而言，碳化物球化及聚集長大是通過C原子的擴散進行的，因此珠光體球化及碳化物的聚集長大傾向隨著碳含量的增加而增加；在鋼中凡是降低碳的擴散速度和增加合金碳化物穩(wěn)定性（或原子結合力）的元素，如Cr、Mo、V、Ti等均能阻礙或延緩珠光體球化及碳化物的聚集長大過程。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼就化學成分而言，碳化物球化及聚集長大是通過C原子的擴散進行的石墨化是珠光體型鋼在工作溫度和應力長期作用下，碳化物分解成游離石墨的過程。當石墨形成后，不但消除或降低了碳化物的第二相強化作用，而且石墨存在于鋼中也割裂了基體（相當于小裂紋），使鋼的強度及塑性顯著下降。C、Al、Si等是促進石墨化元素，故這類鋼冶煉時一般不用Al脫氧。V、Cr等是阻礙石墨化的元素。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼石墨化是珠光體型鋼在工作溫度和應力長期作用下，碳化物分解成游為了保證并促進碳化物彌散強化，這類鋼中常加入Mo、W、V、Nb、Ti等附加合金元素，并配合適當?shù)臒崽幚?，以獲得穩(wěn)定的彌散強化效果。經過熱處理，在500~750℃范圍內析出MeC型或Me2C型碳化物時，能產生沉淀強化效果，特別是VC、NbC、TiC一類的間隙碳化物，具有很高的穩(wěn)定性。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼為了保證并促進碳化物彌散強化，這類鋼中常加入Mo、W、V、N如果鋼中V/C的比值符合VC的化學式的比例，C和V幾乎全部結合成VC，可以達到最高的沉淀強化效果。這時VC既產生沉淀強化，又能保證Cr、Mo溶入α固溶體，從而使鐵素體獲得較好的強化。12Cr1MoV鋼就是在上述合金化思路下發(fā)展起來的典型的鋼種。這類鋼中除了運用Cr、Mo、W、V、Ti的綜合固溶強化和第二相強化作用外，還用微量B強化晶界，并適當提高Si含量，增強了鋼的抗氧化性能，從而使使用溫度有了較大的提高，如12Cr2MoWSiVTiB。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼如果鋼中V/C的比值符合VC的化學式的比例，C和V幾乎全部結2．低碳珠光體型熱強鋼的熱處理低碳珠光體型熱強鋼在科學的合金化基礎上還必須采取正確的熱處理工藝才能獲得滿意的性能。由于這類鋼中含有Cr、Mo、V等合金元素，因此顯著提高了鋼的淬透性，并強烈地推遲珠光體區(qū)的轉變，使得這類鋼在正火時可以獲得大量的貝氏體組織。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼2．低碳珠光體型熱強鋼的熱處理Chapter6耐熱鋼合適的熱處理制度可以使Cr、Mo保留在固溶體基體中，使VC均勻分布在馬氏體、貝氏體的高密度位錯網(wǎng)絡上，此時強化效果可以得到充分發(fā)揮。因此，通過馬氏體、貝氏體相變，細化基體嵌鑲塊結構，加上VC在此基體上的析出，則能得到上述的強化效果。又由于基體經過Cr、Mo的固溶強化，提高了基體的再結晶溫度，使這種強化在高溫回火時仍能保持。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼合適的熱處理制度可以使Cr、Mo保留在固溶體基體中，使VC均由此可見，只有含Mo、W、V、Ti、Nb等強碳化物形成元素的這類鋼，馬氏體和貝氏體的回火組織，才能顯示這種優(yōu)越性。若是C鋼、Mn鋼，則因基體再結晶溫度不高，滲碳體容易聚集長大，即使馬氏體、貝氏體相變能進行，這種相變引起的強化也不能在高溫下保持。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼由此可見，只有含Mo、W、V、Ti、Nb等強碳化物形成元素的這類鋼一般采用正火加高溫回火。正火可以得到相當數(shù)量的貝氏體組織，工藝簡便，生產上容易控制。正火的溫度通常選擇得較高，即980℃~1020℃，以使碳化物完全溶解并均勻分布?；鼗饻囟葹?20℃~740℃，2h~3h。一般采用高于使用溫度100℃~150℃的回火處理。但回火溫度也不宜過高，以避免超過Ac1，出現(xiàn)局部高碳奧氏體，在回火冷卻時出現(xiàn)少量黃色的高碳馬氏體塊，使鋼的性能變壞。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼這類鋼一般采用正火加高溫回火。Chapter6耐熱鋼和Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱二、中碳珠光體型熱強鋼這類鋼對應于中碳低合金調質鋼，制造工藝上一般采用熱鍛成形，較少要求冷彎、焊接的耐熱結構件。這類鋼的使用溫度低于過熱蒸氣管道的溫度，但對強度要求比低碳珠光體型耐熱鋼要高。因此將低碳珠光體型耐熱鋼中的碳含量適當提高即可滿足上述的性能要求。這類鋼主要用于制作汽輪機等耐熱緊固件，汽輪機轉子（主軸、葉輪等）。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼二、中碳珠光體型熱強鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫中碳珠光體型熱強鋼在用于裝配緊固，即緊固件時，由于處于初緊預應力狀態(tài)，所以首先要求這類鋼在初緊時不產生屈服，即鋼在室溫下應有高的屈服強度；其次，緊固件在高溫和壓力下工作，應能長期保持一定的預緊應力，因而要求鋼有高的松弛穩(wěn)定性；最后，為了保證緊固件在長期使用過程中不出現(xiàn)脆性斷裂和氧化咬合，還要求鋼有一定的持久塑性和一定的抗氧化性。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼中碳珠光體型熱強鋼在用于裝配緊固，即緊固件時，由于處于初緊預1．中碳珠光體型熱強鋼的合金化在低碳珠光體型熱強鋼的基礎上適當?shù)靥岣咛己恳蕴岣呤覝叵碌那O限；增加Cr、Mo、V含量，促進正火后的貝氏體轉變量，得到具有高的松弛穩(wěn)定性的貝氏體組織。進一步加入穩(wěn)定碳化物的元素Nb、Ti等，并采用B強化晶界，從而使其不但具有高的持久強度，而且具有高的持久塑性。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼1．中碳珠光體型熱強鋼的合金化Chapter6耐熱鋼和2．中碳珠光體型熱強鋼的熱處理中碳珠光體型熱強鋼一般采用油淬加高溫回火。和低碳珠光體型熱強鋼一樣，回火通常要求高于使用溫度100℃左右。如33Cr3WMoV鋼常采用950℃油淬，640℃回火。需要指出的是，這類鋼如用于要求良好的綜合機械性能的場合（例如制造轉子），還可以采用正火獲得低碳貝氏體，然后再進行回火。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼2．中碳珠光體型熱強鋼的熱處理Chapter6耐熱鋼和中碳珠光體型熱強鋼在用于汽輪機轉子（主軸、葉輪）時，由于主軸和葉輪組成的汽輪機轉子或整鍛轉子在過熱蒸氣的影響下，承受巨大的復雜應力，包括扭轉應力、彎曲應力、溫度梯度引起的熱應力、振動的附加應力以及葉片離心力所產生的切向和徑向應力等。因此要求高的沿軸向、徑向均勻一致的綜合機械性能，高的熱強性和持久塑性以及良好的淬透性和工藝性能。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼中碳珠光體型熱強鋼在用于汽輪機轉子（主軸、葉輪）時，由于主軸一、汽輪機葉片用鋼背景：汽輪機葉片工作溫度在450℃~620℃范圍內，和鍋爐管工作溫度相近，但要求更高的蠕變強度、耐蝕性和耐腐蝕磨損性能。珠光體型熱強鋼難以適應這些要求。必須選用馬氏體型熱強鋼。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬氏體型熱強鋼6.2馬氏體型熱強鋼一、汽輪機葉片用鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金Cr13型馬氏體不銹鋼：最早使用的是Cr13型馬氏體不銹鋼，這類鋼經過熱處理后，在大氣、蒸氣中具有較高的機械性能和良好的耐蝕性。Cr13型馬氏體熱強鋼的熱處理工藝通常采用1000℃~1150℃油淬，650℃~750℃高溫回火，得到回火屈氏體和回火索氏體組織，以保證在使用溫度下組織和性能的穩(wěn)定。它們常用于制造使用溫度低于580℃的汽輪機和燃氣輪機的葉片。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬氏體型熱強鋼Cr13型馬氏體不銹鋼：Chapter6耐熱鋼和鐵基高如前級葉片溫度較高，可選用1Cr13；后級溫度略低，沖刷磨損增加，故選用2Cr13。由于Cr13型馬氏體熱強鋼中的碳化物大都是鉻的碳化物，彌散強化效果較差，而且在高溫和應力的長期作用下，鉻的碳化物的穩(wěn)定性也較低。為此，通過進一步提高這類鋼的合金化程度以提高其熱強性。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬氏體型熱強鋼如前級葉片溫度較高，可選用1Cr13；后級溫度略低，沖刷磨損新型馬氏體型熱強鋼：如向這類鋼中再添加Mo、W、V、Nb、Ti、B等發(fā)展了一些新型馬氏體型熱強鋼。添加Mo、W可以使鋼中的兩種主要碳化物Cr23C6、Cr7C3變?yōu)?Cr,Mo,W,Fe)23C6，產生一定的彌散強化作用，同時添加的Mo和W溶入固溶體，可以有效地提高固溶強化效果；Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬氏體型熱強鋼新型馬氏體型熱強鋼：Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合添加V、Nb、Ti等更強的碳化物形成元素，則在鋼中形成復合碳化物(V,Nb,Ti)C，它比Cr23C6型碳化物更加穩(wěn)定，同時V、Nb、Ti的加入還有利于Mo、W進入固溶體，這就進一步提高了鋼的熱強性和使用溫度；Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬氏體型熱強鋼添加V、Nb、Ti等更強的碳化物形成元素，則在鋼中形成復合碳添加B則可以強化晶界，降低晶界擴散，有利于提高熱強性。當然由于Mo、W、V、Nb、Ti都是鐵素體形成元素，這些元素加入較多時容易導致在淬火時出現(xiàn)δ鐵素體，對鋼的蠕變強度和韌性都不利，并影響加工工藝性能。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬氏體型熱強鋼添加B則可以強化晶界，降低晶界擴散，有利于提高熱強性。當然由為了消除δ鐵素體，對上述合金元素含量較多的鋼種還需加入1%Ni~2%Ni以擴大γ相區(qū)，保證淬火時得到單相奧氏體組織；如將Cr含量降低到12%或11%，也可減少δ鐵素體形成的傾向。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬氏體型熱強鋼為了消除δ鐵素體，對上述合金元素含量較多的鋼種還需加入1%N二、馬氏體型耐熱鋼背景：上述介紹的馬氏體熱強鋼有較好的綜合機械性能，可以滿足葉片使用要求。但因C含量較低，強度和耐磨性不夠高，耐蝕抗氧化性也不夠高，耐熱溫度也稍低，不能滿足內燃機排氣閥使用的要求。因為內燃機的進氣閥在300℃~400℃下工作，工作溫度較低，一般可采用40Cr、38CrSi鋼。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬氏體型熱強鋼二、馬氏體型耐熱鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金但排氣閥的閥端處在燃燒室中，工作溫度常為700℃~850℃，且燃氣中又常含有V2O3、Na2O、SO2等成分，為了防止“爆震”，在燃油中還常加乙基鉛等防爆劑，故燃氣中又有PbO的成分，這些成分都會對閥門產生嚴重的高溫腐蝕和氧化腐蝕。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬氏體型熱強鋼但排氣閥的閥端處在燃燒室中，工作溫度常為700℃~850℃，閥門的高速運動和頻繁的起動還使閥門受機械疲勞和熱疲勞，閥門對沖刷的燃氣和閥門座的相對運動，還使閥門受沖刷腐蝕磨損以及摩擦磨損。因此葉片用馬氏體熱強鋼顯然不能滿足排氣閥的使用要求，也就是說閥門用鋼應有更高的熱強性、硬度、韌性、高溫下的抗氧化性、耐腐蝕性以及高溫下的組織穩(wěn)定性和良好的工藝性能等。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬氏體型熱強鋼閥門的高速運動和頻繁的起動還使閥門受機械疲勞和熱疲勞，閥門對合金化：對排氣閥用馬氏體熱強鋼應具有更高的C含量，更高的Cr、Si等抗氧化和提高耐熱性的合金元素。因此發(fā)展了4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo鋼。這類鋼的C含量增高到0.4%，以提高其綜合機械性能和耐磨性；Cr、Si的配合添加，還可提高Ac1和Ac3（4Cr9Si2的Ac1為870℃~890℃，Ac3為950℃~970℃），提高Fe2O3→FeO的相變溫度，從而提高鋼的抗氧化性和熱強性；

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬氏體型熱強鋼合金化：Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬加Mo既能提高熱強性，又能溶于Cr的碳化物中，提高其穩(wěn)定性，Mo還能降低這類鋼的高溫回火脆性。熱處理：4Cr9Si2的熱處理工藝常采用1020℃~1040℃油淬，以獲得馬氏體和少量碳化物組織，700℃回火獲得保持馬氏體形貌特征的回火索氏體組織。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬氏體型熱強鋼加Mo既能提高熱強性，又能溶于Cr的碳化物中，提高其穩(wěn)定性，必須指出的是，由于這類鋼具有回火脆性，所以高溫回火時應避開400℃~600℃的回火脆性區(qū)，并且回火后通常采用空冷或油冷。這類鋼主要用于制造汽輪機葉片和汽輪機或柴油機的排氣閥等。4Cr9Si2鋼可用于700℃，而4Cr10Si2Mo則可用于750℃。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.2馬氏體型熱強鋼必須指出的是，由于這類鋼具有回火脆性，所以高溫回火時應避開4鐵素體型、奧氏體型耐熱鋼主要作熱穩(wěn)定鋼使用，其中奧氏體型也可作更高溫度條件下的熱強鋼使用。一、鐵素體型耐熱鋼鐵素體型耐熱鋼是在鐵素體不銹鋼的基礎上進一步進行合金化而形成的鋼種。具有單相鐵素體組織。表面容易獲得致密的、連續(xù)的保護性薄膜。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼鐵素體型、奧氏體型耐熱鋼主要作熱穩(wěn)定鋼使用，其中奧氏體型也可根據(jù)使用溫度的不同，這類鋼可以分為以下三類：（1）Cr13型鐵素體型耐熱鋼。這類鋼主要用于使用溫度在800℃~850℃的構件。典型的鋼種如0Cr13Al、00Cr12等。（2）Cr18型鐵素體型耐熱鋼。這類鋼主要用于使用溫度在1000℃左右的構件。典型的鋼種如1Cr17、1Cr19Al3等。（3）Cr25型鐵素體型耐熱鋼。這類鋼主要用于使用溫度在1050℃~1100℃左右的構件。典型的鋼種如2Cr25N等。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼根據(jù)使用溫度的不同，這類鋼可以分為以下三類：Chapter鐵素體型耐熱鋼和鐵素體不銹鋼一樣，因為無固態(tài)相變，同樣有晶粒長大傾向引起的韌性下降。但抗氧化性能強，還可耐含硫氣氛的腐蝕。表6-8鐵素體型耐熱鋼的牌號和化學成分表6-9鐵素體型耐熱鋼棒的熱處理制度、力學性能、特性及用途Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼鐵素體型耐熱鋼和鐵素體不銹鋼一樣，因為無固態(tài)相變，同樣有晶粒二、奧氏體型耐熱鋼珠光體、馬氏體類耐熱鋼一般使用溫度在650℃以下，不能適用于更高的使用溫度。其原因在于，無論是珠光體基體還是馬氏體基體的耐熱鋼，其基體組織都是鐵素體。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼二、奧氏體型耐熱鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金鐵的γ晶型原子間結合力比α晶型的大，且再結晶溫度高（γ-Fe的T再＞800℃，α-Fe的T再為450~600℃）；γ-Fe中鐵和其它元素原子擴散系數(shù)小。這樣以γ-Fe為基體的合金固溶體就可能在600~800℃下具有好的熱強性，高溫和室溫還有好的塑性和韌性，良好的可焊性和冷作成形性等。奧氏體型鋼的切削加工性較差，但由于其熱強性好的優(yōu)點，特別滿足了提高噴氣發(fā)動機推力要求高的燃氣溫度條件下的材料的需要。因此得到了充分的發(fā)展和廣泛的應用。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼鐵的γ晶型原子間結合力比α晶型的大，且再結晶溫度高（γ-Fe1．奧氏體型抗氧化鋼（1）Cr-Ni系熱穩(wěn)定鋼為了獲得高的抗氧化性能，在奧氏體不銹鋼的基礎上通過進一步加入Si、Al抗氧化合金化而形成的奧氏體型耐熱鋼可以獲得很高的熱穩(wěn)定性。如1Cr25Ni20Si2、1Cr18Ni9Si3等。這類鋼的使用溫度不僅和Cr25型鐵素體型熱穩(wěn)定鋼相當，而且比鐵素體型鋼有更好的熱強性和工藝性能。但這類鋼因消耗大量Cr、Ni的資源，所以現(xiàn)已逐漸被Fe-Al-Mn系和Cr-Mn-N系熱穩(wěn)定鋼所替代。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼1．奧氏體型抗氧化鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合（2）Fe-Al-Mn系熱穩(wěn)定鋼用Si、Al合金化的熱穩(wěn)定鋼，當Si的加入量超過3%以后會引起鋼的脆性；Al在Fe中含量增加能使鋼具有高的抗氧化性，但Al和Fe的合金是體心立方結構，高溫強度很低，為了使鋼具有足夠高的高溫強度，應使鋼具有奧氏體組織，然后再對這個基體用Al來進行抗氧化的合金化。使鋼形成奧氏體基體的元素有Ni、Mn、C、N等，Ni的資源較少，要求不用，而以C、N合金化的奧氏體在低溫下要發(fā)生分解。因此重點選用Mn，這樣就形成了Fe-Al-Mn抗氧化鋼的系列。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼（2）Fe-Al-Mn系熱穩(wěn)定鋼Chapter6耐熱鋼對于Fe-Al-Mn系列抗氧化鋼，要獲得全奧氏體，必須增加Mn的含量。但Mn含量太多對抗氧化不利，所以在γ相區(qū)中獲得全奧氏體的前提下，應該使用下限Mn含量，上限Al含量，比如，25%~30%Mn，0.65%~0.85%C，7.0%~7.5%Al，1.0%~1.5%Si，RE≤0.1%。如果使用溫度更高（950℃），要求進一步提高抗氧化性，Al含量則要求進一步增加。如7.6%~8.5%Al，選用0.65%~0.85%C，25%~30%Mn，RE≤0.1%。這時鋼的組織為奧氏體中加入少量的鐵素體的復相組織。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼對于Fe-Al-Mn系列抗氧化鋼，要獲得全奧氏體，必須增加MFe-Al-Mn系抗氧化鋼在熔煉澆鑄中要盡可能地減少夾雜，嚴格控制澆注溫度，防止Al的氧化。鑄件冷凝過程中，因線收縮較大，還易產生裂紋，故對鑄件結構的截面突變應加以限制。研究和生產實踐表明，F(xiàn)e-Al-Mn系鋼的使用壽命雖然只有Cr20Ni25Si2鋼的1/3，但成本只有Cr20Ni25Si2鋼的1/4~1/5。因此推廣使用Fe-Al-Mn系鋼還是有其重要意義的。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼Fe-Al-Mn系抗氧化鋼在熔煉澆鑄中要盡可能地減少夾雜，嚴（3）Cr-Mn-N系熱穩(wěn)定鋼Cr-Mn-N系奧氏體型熱穩(wěn)定鋼（如3Cr18Mn12Si2N和2Cr20Mn9Ni2Si2N）和Fe-Al-Mn系鋼相比，由于還保留了大量的Cr，所以保護性氧化膜是Cr和Si的氧化物，使用溫度可從850℃~1100℃。在Cr20Mn9Ni2Si2N鋼中保留了少量的Ni，能進一步穩(wěn)定奧氏體，使鋼中的Cr含量上限提高，從而提高鋼的抗氧化性，同時也改善了的工藝性能。這類鋼在高溫下有較高的持久強度，除做鑄件外，還可以制作鍛件?？捎米鬟B續(xù)加熱爐的傳送帶、鍋爐吊掛、滲碳爐構件等。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼（3）Cr-Mn-N系熱穩(wěn)定鋼Chapter6耐熱鋼和2．奧氏體型熱強鋼根據(jù)提高鋼的熱強性的合金化原理，奧氏體耐熱鋼有固溶強化型、碳化物沉淀強化型及金屬間化合物強化型三種類型（其中部分合金已屬于或接近高溫合金的范疇，例如金屬間化合物強化型的熱強鋼，其使用溫度大都高于600℃，已是典型的鐵基高溫合金）。下面僅介紹固溶強化型和碳化物沉淀型奧氏體耐熱鋼。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼2．奧氏體型熱強鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金（1）固溶強化型奧氏體耐熱鋼這類鋼是在18-8奧氏體不銹鋼的基礎上發(fā)展起來的，它們的特點是，在具有良好的耐蝕性的奧氏體基體中，添加Mo、W、Nb等合金元素，提高γ固溶體的原子間結合力，強化固溶體；Nb還可以形成部分NbC，強化晶界。Mo、W、Nb等都是強鐵素體形成元素，為了保持奧氏體組織，則要在鋼中提高Ni含量或在適當提高Ni含量的同時再降低一點Cr含量，以保持奧氏體的平衡，從而將18-8型發(fā)展成18-11和14-19型的Cr-Ni成分。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼（1）固溶強化型奧氏體耐熱鋼Chapter6耐熱鋼和鐵這類鋼具有良好的焊接性能以及壓力熱加工和冷沖壓性能，能制管和軋成薄板，能通過薄板沖壓和焊接制成零件。因為這類鋼主要是固溶強化，所以其熱處理一般也配以固溶處理（淬火）。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼這類鋼具有良好的焊接性能以及壓力熱加工和冷沖壓性能，能制管和（2）碳化物沉淀型奧氏體耐熱鋼碳化物沉淀型奧氏體耐熱鋼的特點是既具有較高的Cr、Ni含量以形成奧氏體，又具有W、Mo、V、Nb等強碳化物形成元素和較高的C含量以形成碳化物強化相。由于V和Nb是更強的碳化物形成元素，所以形成的碳化物主要是VC和NbC；其次，由于鋼中Cr含量較多，還會形成(Cr,V,Mo,Fe)23C6。同時在這類鋼中還可以用Mn代替部分Ni，這在降低價格的同時也能滿足性能的要求。為了獲得沉淀強化效果，這類鋼一般配以固溶淬火和時效沉淀的熱處理。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼（2）碳化物沉淀型奧氏體耐熱鋼Chapter6耐熱鋼和碳化物沉淀型奧氏體耐熱鋼典型的鋼種為4Cr14Ni14W2Mo和5Cr21Mn9Ni4N等。其中4Cr14Ni14W2Mo（常稱LV21-4N）是較早使用的排氣閥鋼，該鋼由于含有大量的Ni而獲得奧氏體組織，經固溶及時效處理析出碳化物強化。固溶溫度常用1170℃~1200℃，小件可空冷，大件在水中淬火，時效溫度常用750℃，5h，時效后空冷，硬度為(241~248)HB。由于4Cr14Ni14W2Mo鋼含有較高的Ni，使用溫度一般在750℃以下。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼碳化物沉淀型奧氏體耐熱鋼典型的鋼種為4Cr14Ni14W2M5Cr21Mn9Ni4N鋼含有更高的Cr，這使得該鋼具有高的抗氧化性和抗蝕性，加Mn、Ni、N可獲得奧氏體組織，加C、N還可獲得沉淀強化相。該鋼經1175℃~1185℃固溶處理0.5h~1h，水冷，750℃~850℃時效10h~14h后空冷，硬度為34HRC。5Cr21Mn9Ni4N常用于850℃左右工作的高速大功率內燃機排氣閥。需要指出的是，由于5Cr21Mn9Ni4N鋼中的Si含量較低，因此抗腐蝕能力低，不宜作柴油機排氣閥。柴油機上的排氣閥鋼采用2Cr21Ni12N。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.3鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型熱強鋼5Cr21Mn9Ni4N鋼含有更高的Cr，這使得該鋼具有高的Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金

6.4鐵基高溫合金高溫合金的牌號及命名我國高溫合金牌號的命名考慮到合金成形方式、強化類型與基體組元，采用漢語拼音字母符號作前綴。變形高溫合金以“GH”表示，“G”、“H”分別為“高”、“合”漢語拼音的第一個字母，后接4位阿拉伯數(shù)字：Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合前綴“GH”后的第一位數(shù)字表示分類號，1和2表示鐵基或鐵鎳基高溫合金，3和4表示鎳基合金、5和6表示鈷基合金，其中單數(shù)1、3和5為固溶強化型合金，雙數(shù)2，4和6為時效沉淀強化型合金?！癎H”后的第二、三、四位數(shù)字則表示合金的編號。如GH4169，表明為時效沉淀強化型的鎳基高溫合金，合金編號為169。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金前綴“GH”后的第一位數(shù)字表示分類號，1和2表示鐵基或鐵鎳基鑄造高溫合金則采用“K”作前綴，后接3位阿拉伯數(shù)字?！癒”后第一位數(shù)字表示分類號，其含義與變形合金相同，第二、三位數(shù)字表示合金編號。如K418，為時效沉淀強化型鎳基鑄造高溫合金，合金編號為18。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金鑄造高溫合金則采用“K”作前綴，后接3位阿拉伯數(shù)字。Chap粉末高溫合金牌號則以“FGH”前綴后跟阿拉伯數(shù)字表示。焊接用的高溫合金絲的牌號表示則用前綴“HGH”。后跟阿拉伯數(shù)字。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金粉末高溫合金牌號則以“FGH”前綴后跟阿拉伯數(shù)字表示。Cha近些年來，成形工藝的發(fā)展，新的高溫合金大量涌現(xiàn)，在技術文獻中常?？梢姷健癕GH”、“DK”和“DD”等作前綴的合金牌號，它們分別表示為機械合金化粉末高溫合金、定向凝固高溫合金和單晶鑄造高溫合金。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金近些年來，成形工藝的發(fā)展，新的高溫合金大量涌現(xiàn)，在技術文獻中1．固溶強化型鐵基高溫合金Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金Fe基高溫合金由Fe-Ni-Cr系和Fe-Ni-Cr-Go系奧氏體合金組成。對于奧氏體的強化主要是固溶強化和析出強化。1．固溶強化型鐵基高溫合金Chapter6耐熱鋼和鐵基圖6-3示出了固溶元素對奧氏體的屈服強度的影響Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金圖6-3示出了固溶元素對奧氏體的屈服強度的影響Chapter由圖可知，間隙型固溶元素有些差異，鐵素體形成元素是有效的。所以，鐵基高溫合金可以通過Mo和W等以達到固溶強化，以B進行晶界強化。必須指出的是，對于不含第三元素的奧氏體鋼的碳化物是M23C6，添加諸如Mo、Nb、Ti等第三元素，就會形成容易在晶粒內析出的M6C和MC型碳化物而更有助于強化。當添加的第三元素含量較少時，這時碳化物或氮化物析出的奧氏體鐵合金時效硬化性較弱，因此，叫做弱析出硬化型。也可歸類于固溶強化型鐵基高溫合金。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金由圖可知，間隙型固溶元素有些差異，鐵素體形成元素是有效的。所典型的固溶強化型高溫合金如GH1035、GH1040、GH1131等。其化學成分、特性和用途分別見表6-13、表6-14。固溶強化型鐵基高溫合金，一般用于制造在600~700℃下工作的蒸氣過熱器和動力裝置的管路，680℃以下燃氣輪機動、靜葉片及其他鍛件。經1100~1150℃固溶處理，在650~700℃長時間保溫后，有不大的時效硬化傾向。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金典型的固溶強化型高溫合金如GH1035、GH1040、GH12．時效硬化型高溫合金與固溶強化型不同，時效硬化型鐵基高溫合金是利用碳化物或金屬間化合物的析出來強化的。（1）碳化物沉淀強化的鐵基高溫合金

利用碳化物沉淀強化的高溫合金的沉淀強化相為MC型碳化物，并利用一定量的W、Mo等固溶強化。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金2．時效硬化型高溫合金Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫利用碳化物沉淀強化的典型高溫合金是GH2036（4Crl3Mn8Ni8MoVNb）。GH2036含有w(V)=1.4％，w(Nb)=0.4％的沉淀強化相是(V、Nb)C．它以VC為主，溶有部分Nb。當V、Nb和C的比例正好和VC和NbC的化學式相等時，具有最佳的高溫強度。VC析出的最高速度的溫度在670~700℃，此溫度時效，合金具有最高的沉淀硬化。當w(Nb)≥0.6％時，合金中才會單獨出現(xiàn)NbC相，它溶有不多的V和Mo。合金中的Mo主要起固溶強化作用。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金利用碳化物沉淀強化的典型高溫合金是GH2036（4Crl3MGH2036固溶處理的溫度通常采用1140℃加熱，保溫1.5h~2h后水冷，水冷的目的是防止冷卻過程中析出VC相，造成時效時沿截面內外性能不均。固溶處理后進行兩次時效：第一次時效溫度為670℃，時效12h~14h，可獲得非常細小且分布均勻的VC相，此時硬度最高，但塑性和韌性較低，有缺口敏感性；第二次時效溫度為770℃~800℃（高于工作溫度），時效10h~12h，此時VC顆粒略有長大，但仍分布均勻，而這時已改善了塑性和韌性，并降低了缺口敏感性。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金GH2036固溶處理的溫度通常采用1140℃加熱，保溫1.5這種組織在低于第二次時效溫度30℃~50℃，即750℃左右下工作，有很好的組織穩(wěn)定性。GH2036鋼常用于低于650℃下工作的渦輪盤材料，也可做高溫緊固件。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金這種組織在低于第二次時效溫度30℃~50℃，即750℃左右下（2）金屬間化合物沉淀強化的鐵基高溫合金

在第一章中已經列出了出過渡族元素形成的二元、三元的大多數(shù)奧氏體合金中出現(xiàn)的金屬間化合物相。其中，奧氏體系耐熱合金中最重要的析出相是B3A相。相是有序的面心立方相?；w也是面心立方結構，而且晶格常數(shù)差異也不太大，故共格性是良好的。因為析出粒子聚集的動力是表面能的減少，所以共格性好而表面能低的相在高溫下加熱時很難聚集，對高溫強度的貢獻卓著。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金（2）金屬間化合物沉淀強化的鐵基高溫合金在第一章中已經列鐵基高溫合金的特點是C含量很低（一般為0.08%），形成的碳化物很少或幾乎沒有，合金中的強化相是金屬間化合物-Ni3(Al,Ti)，-Ni3(Al,Ti)相具有和奧氏體相同的面心點陣，但有點陣常數(shù)的差異，由于點陣的匹配度的差異，導致強化。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金鐵基高溫合金的特點是C含量很低（一般為0.08%），形成的碳在合金化上，為了獲得金屬間化合物強化相，合金中Ni含量除保證獲得奧氏體外，還要保證有一部分能形成金屬間化合物，因此Ni含量一般較高，為25%~40%；同時還應加入Al、Ti、Mo、V、B等，其中Al、Ti和Ni能形成相，Mo能溶于奧氏體，產生固溶強化效應，并減慢奧氏體中鐵的擴散，從而提高合金的高溫強度，改善合金的高溫塑性和減小缺口敏感性。V和B能強化晶界，B的加入還可使晶界的網(wǎng)狀沉淀相變?yōu)閿嗬m(xù)沉淀相，因而提高了合金的持久強度。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金在合金化上，為了獲得金屬間化合物強化相，合金中Ni含量除保證對于時效硬化型鐵基高溫合金來說，添加Ti和Al以析出相是非常重要的，但其時效硬化效果要視Ti和Al量而定，例如，為了提高強度，增加Ti和Al的數(shù)量是必要的，但若Ti過多，則（Ni3Ti）相呈針狀析出；若Al過多，則相呈塊狀析出，所以Ti和Al的比率是有限制的。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金對于時效硬化型鐵基高溫合金來說，添加Ti和Al以析出相是非常為了使金屬間化合物相-Ni3(Al,Ti)產生較好的強化效果，需要進行適當?shù)臒崽幚?。如這類合金中最典型的GH2132（A-286）。通常采用980℃~1000℃，2h的固溶處理，然后在704℃~760℃范圍內經過16h的時效處理，此時-Ni3(Al,Ti)相及極微小的顆粒狀分布于奧氏體基體上，從而達到了最好的強化效果。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金為了使金屬間化合物相-Ni3(Al,Ti)產生較好的強化效果如果對GH2132合金配以冷變形時效，則強化效果將進一步增強。需要注意的是變形量必須避免導致臨界變形量（通常冷變形量必須超過6%，熱變形量必須超過10%），以防止晶粒的異常長大。因為冷變形加速了相的沉淀，所以隨著變形量的增加，時效后達到最大硬度的溫度移向低溫，而且冷變形后鋼的結構穩(wěn)定性較差，為此，冷變形后的時效通常采用兩次時效，即第一次為760℃，16h，第二次為704℃，16h，以增加組織結構的穩(wěn)定性和硬度的均勻性。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金如果對GH2132合金配以冷變形時效，則強化效果將進一步增強若在GH2132合金的基礎上再進一步增加Mo、W、Ti、Nb等強化元素，則合金的熱性能和耐熱溫度都將進一步提高。但由于這類元素都是鐵素體形成元素，增加這些元素的含量，將導致奧氏體基體不穩(wěn)定，并容易析出脆性金屬間化合物σ相和χ相等。為此，在鋼中增加Mo、W、Ti、Nb等強化元素的同時，提高Ni的含量，以穩(wěn)定奧氏體，使用溫度可提高到750℃~800℃。這類鋼（GH2130、GH2135）與GH2132相比，可提高使用溫度50℃~100℃，有時還可代替鎳基高溫合金使用。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金若在GH2132合金的基礎上再進一步增加Mo、W、Ti、NbChapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金主要內容第一節(jié)珠光體型熱強鋼第二節(jié)馬氏體型熱強鋼第三節(jié)鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型耐熱鋼第四節(jié)鐵基高溫合金Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金主要內容Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金基本要求：了解耐熱金屬材料的工作條件及性能特點；耐熱鋼及鐵基高溫合金的合金化及其熱處理；常用耐熱鋼和鐵基高溫合金。重點和難點：耐熱鋼及鐵基高溫合金的性能特點及合金化原理。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金基本要求：Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金背景:耐熱鋼和高溫合金是指在高溫下工作并具有一定強度和抗氧化、耐腐蝕能力的金屬材料。6.0引言6.0引言Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金背景:6.0引言6.0引言Chapter6耐熱對蒸汽輪機和鍋爐來講：在本世紀30~40年代蒸汽溫度不過400~450℃，蒸汽壓力不過近100大氣壓；現(xiàn)在蒸汽溫度已達650℃，蒸汽壓力也高達340大氣壓以上，因此所使用的金屬材料也從低碳鋼發(fā)展到復雜的各類合金鋼。6.0引言Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金對蒸汽輪機和鍋爐來講：6.0引言Chapter6耐熱耐熱鋼的分類按合金元素多少可分為兩類：一類是在低合金結構鋼基礎上發(fā)展起來的低合金珠光體型熱強鋼；另一類是在不銹鋼基礎上發(fā)展起來的高合金專用耐熱鋼。專用耐熱鋼按對使用性能的要求可以分為：熱強鋼和熱穩(wěn)定鋼。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言耐熱鋼的分類Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0熱強鋼是指在高溫下有一定抗氧化能力并具有足夠強度而不產生大量變形或斷裂的鋼種，如高溫螺栓、渦輪葉片等。它們工作時要求承受較大的載荷，失效的主要原因是高溫下強度不夠。熱強鋼廣泛用于制造鍋爐管道、緊固件、汽輪機轉子、葉片、排氣閥等。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言熱強鋼是指在高溫下有一定抗氧化能力并具有足夠強度而不產生大量熱穩(wěn)定鋼是指在高溫下抗氧化或抗高溫介質腐蝕而不破壞的鋼種，如爐底、爐柵等。它們工作時的主要失效形式是高溫氧化，而單位面積上承受的載荷并不大，故又稱抗氧化鋼。熱穩(wěn)定鋼廣泛用于工業(yè)爐中的構件、爐底板、馬弗罐、料架、輻射管等。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言熱穩(wěn)定鋼是指在高溫下抗氧化或抗高溫介質腐蝕而不破壞的鋼種，如按組織的晶體結構特征可以分為：奧氏體型鐵素體型馬氏體型沉淀硬化型Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言按組織的晶體結構特征可以分為：Chapter6耐熱鋼和奧氏體型、鐵素體型鋼大都用于要求抗氧化性較高的場合；馬氏體型和沉淀硬化型鋼則多用于要求高溫強度較高的場合。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言奧氏體型、鐵素體型鋼大都用于要求抗氧化性較高的場合；Chap由于珠光體型熱強鋼、馬氏體型熱強鋼在加熱和冷卻時會發(fā)生相變，所以要進一步提高使用溫度受到限制。更高溫度下則須使用奧氏體型熱強鋼和高溫合金。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言由于珠光體型熱強鋼、馬氏體型熱強鋼在加熱和冷卻時會發(fā)生相變，由于珠光體型熱強鋼、馬氏體型熱強鋼在中溫下有較好的熱強性、熱穩(wěn)定性及工藝性能，線膨脹系數(shù)小，含碳量也較低，價格低廉，廣泛應用于制造鍋爐、汽輪機及石油提煉設備等，是適宜在600℃~650℃以下溫度使用的熱強鋼。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言由于珠光體型熱強鋼、馬氏體型熱強鋼在中溫下有較好的熱強性、熱現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了超音速飛機，其發(fā)動機的工作溫度高達1200℃，從而，出現(xiàn)了各類鎳基、鈷基合金。由此可見，根據(jù)工程結構的要求不同，耐熱鋼和高溫合金的使用溫度范圍是十分寬廣的，從幾百度到千度以上。一般來講，耐熱鋼和高溫合金工作溫度是指該金屬或合金的（0.3~0.5）T熔點℃以上的溫度。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了超音速飛機，其發(fā)動機的工作溫度高達1高溫合金的分類按基體元素分類：以鐵為主，加入的合金元素總量超過50％的鐵基合金稱為鐵基高溫合金；類似地，以鎳為主的合金稱為鎳基高溫合金。以鈷為主的稱為鈷基高溫合金。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言高溫合金的分類Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.按制備工藝分類變形高溫合金餅材、棒材、板材、環(huán)形件、管材、帶材和絲材等；鑄造高溫合金普通精密鑄造合金、定向凝固高溫合金、單晶凝固高溫合金粉末冶金高溫合金普通粉末冶金高溫合金、氧化物彌散強化高溫合金Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言按制備工藝分類Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.按強化方式分類固溶強化型沉淀強化型金屬間化合物氧化物彌散強化型纖維強化型等。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言按強化方式分類Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.按使用特性，高溫合金又可分為高強度合金高屈服強度合金抗松弛合金低膨脹合金抗熱腐蝕合金等等。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.4鐵基高溫合金按使用特性，高溫合金又可分為Chapter6耐熱鋼和鐵鐵基、鈷基和鎳基合金的使用溫度一般不超過1000℃；溫度再高就必須選用難熔金屬（指熔點高于1650℃的金屬）或其合金了。本章主要講述耐熱鋼和鐵基高溫合金。

Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.0引言鐵基、鈷基和鎳基合金的使用溫度一般不超過1000℃；Chap珠光體型熱強鋼是合金結構鋼中的一部分鋼種，其特點是：碳含量較低，工藝性、導熱性好，熱處理工藝簡單，價格便宜；使用少量的合金元素固溶強化和改善Fe2O3氧化膜的穩(wěn)定性；在500℃~620℃以下具有良好的熱強性。6.1珠光體型熱強鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼珠光體型熱強鋼是合金結構鋼中的一部分鋼種，其特點是：6.1珠光體型熱強鋼按碳含量和應用特點又可分為低碳珠光體熱強鋼中碳珠光體熱強鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼珠光體型熱強鋼按碳含量和應用特點又可分為Chapter6一、低碳珠光體型熱強鋼這類鋼對應于普通低合金高強度結構鋼，要求有制管、焊管、冷彎等良好工藝性能。由于這類鋼主要用于制作鍋爐鋼管，對于鍋爐鋼管來說，管內是具有一定壓力的過熱蒸汽，外壁接觸火焰。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼一、低碳珠光體型熱強鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫要求500℃~600℃左右的高溫持久強度和一定的抗氧化性。合金化：低碳鋼稍加合金化即能符合這些要求。經過多年來的研究和工業(yè)實踐，形成了一些典型鋼種。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼要求500℃~600℃左右的高溫持久強度和一定的抗氧化性。C典型鋼種：12Cr1MoV用于540℃的導管或580℃的過熱蒸汽管。12Cr2MoWSiVTiB用于600℃~620℃的過熱器管。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼典型鋼種：Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.11．低碳珠光體型熱強鋼的合金化（1）低碳，即這類鋼的碳含量一般為0.08%~0.20%。低碳使鋼具有良好的加工工藝性能（如容易軋制、穿管、拉拔、延伸、焊接、冷彎等）。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼1．低碳珠光體型熱強鋼的合金化Chapter6耐熱鋼和低碳—使鋼基體組織為大量的鐵素體，利用鐵素體的高熔點和組織穩(wěn)定性的特點獲得良好的耐熱性；使鋼中碳化物數(shù)量相對較少，鋼中的珠光體不易發(fā)生球化，珠光體中的滲碳體也不易發(fā)生石墨化，這有利于組織穩(wěn)定。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼低碳—Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光（2）加入合金元素加入合金元素固溶強化鐵素體基體（包括珠光體和索氏體中的鐵素體），以提高鋼的熱強性和再結晶溫度；Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼（2）加入合金元素Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金固溶強化的主加合金元素是鉻和鉬，輔加元素是V、Ti、Nb、W等。主加元素鉻和鉬是鐵素體基體的最有效的強化元素，使這類鋼的熱強性大為提高。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼固溶強化的主加合金元素是鉻和鉬，輔加元素是V、Ti、Nb、W輔加元素是V、Ti、Nb、W等減少主加合金元素的再分配趨勢。僅經過鉻和鉬固溶強化的鐵素體在工作溫度和應力的長期作用下，會緩慢地向碳化物中富集，而鐵和錳等其它元素則被排擠到固溶體中去，產生合金元素在使用過程中的再分配現(xiàn)象。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼輔加元素是V、Ti、Nb、W等減少主加合金元素的再分配趨勢。合金元素的再分配將導致固溶體中的主加強化元素減少，熱強性下降。為此鋼中還需加入一定量的輔加元素，以減少合金元素的再分配趨勢，如常加入的輔加元素主要有V、Ti、Nb等，這些合金元素與碳形成穩(wěn)定的碳化物，使鉻和鉬等的固溶強化元素難以發(fā)生向碳化物轉移的再分配現(xiàn)象，從而保持固溶體的強化特性。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼合金元素的再分配將導致固溶體中的主加強化元素減少，熱強性下降必須指出的是，還可以采用復合固溶強化，比如在鋼中同時加入鉬、鎢、鉻等合金元素，利用這些元素的復合作用，不僅提高了固溶體中的原子間結合力，而且還使擴散困難，阻礙合金元素發(fā)生再分配。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼必須指出的是，還可以采用復合固溶強化，比如在鋼中同時加入鉬、利用合金元素形成第二相并強化第二相，如加入合金元素形成一定數(shù)量碳化物，并通過合金化穩(wěn)定碳化物，使形成的碳化物不僅在高溫下不易球化和石墨化，而且在400℃~620℃形成彌散分布的、穩(wěn)定性高的、不易聚集長大的碳化物，保持彌散強化作用。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼利用合金元素形成第二相并強化第二相，如加入合金元素形成一定數(shù)對于第二相強化，合金化的主要目的不僅是獲得一定數(shù)量的強碳化物相，更重要的是阻止珠光體的球化和碳化物的聚集，阻止鋼中的C發(fā)生石墨化，保證并促進碳化物彌散強化。影響碳化物球化及聚集長大的主要因素是服役溫度、時間和材料的化學成分。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼對于第二相強化，合金化的主要目的不僅是獲得一定數(shù)量的強碳化物就化學成分而言，碳化物球化及聚集長大是通過C原子的擴散進行的，因此珠光體球化及碳化物的聚集長大傾向隨著碳含量的增加而增加；在鋼中凡是降低碳的擴散速度和增加合金碳化物穩(wěn)定性（或原子結合力）的元素，如Cr、Mo、V、Ti等均能阻礙或延緩珠光體球化及碳化物的聚集長大過程。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼就化學成分而言，碳化物球化及聚集長大是通過C原子的擴散進行的石墨化是珠光體型鋼在工作溫度和應力長期作用下，碳化物分解成游離石墨的過程。當石墨形成后，不但消除或降低了碳化物的第二相強化作用，而且石墨存在于鋼中也割裂了基體（相當于小裂紋），使鋼的強度及塑性顯著下降。C、Al、Si等是促進石墨化元素，故這類鋼冶煉時一般不用Al脫氧。V、Cr等是阻礙石墨化的元素。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼石墨化是珠光體型鋼在工作溫度和應力長期作用下，碳化物分解成游為了保證并促進碳化物彌散強化，這類鋼中常加入Mo、W、V、Nb、Ti等附加合金元素，并配合適當?shù)臒崽幚恚垣@得穩(wěn)定的彌散強化效果。經過熱處理，在500~750℃范圍內析出MeC型或Me2C型碳化物時，能產生沉淀強化效果，特別是VC、NbC、TiC一類的間隙碳化物，具有很高的穩(wěn)定性。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼為了保證并促進碳化物彌散強化，這類鋼中常加入Mo、W、V、N如果鋼中V/C的比值符合VC的化學式的比例，C和V幾乎全部結合成VC，可以達到最高的沉淀強化效果。這時VC既產生沉淀強化，又能保證Cr、Mo溶入α固溶體，從而使鐵素體獲得較好的強化。12Cr1MoV鋼就是在上述合金化思路下發(fā)展起來的典型的鋼種。這類鋼中除了運用Cr、Mo、W、V、Ti的綜合固溶強化和第二相強化作用外，還用微量B強化晶界，并適當提高Si含量，增強了鋼的抗氧化性能，從而使使用溫度有了較大的提高，如12Cr2MoWSiVTiB。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼如果鋼中V/C的比值符合VC的化學式的比例，C和V幾乎全部結2．低碳珠光體型熱強鋼的熱處理低碳珠光體型熱強鋼在科學的合金化基礎上還必須采取正確的熱處理工藝才能獲得滿意的性能。由于這類鋼中含有Cr、Mo、V等合金元素，因此顯著提高了鋼的淬透性，并強烈地推遲珠光體區(qū)的轉變，使得這類鋼在正火時可以獲得大量的貝氏體組織。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼2．低碳珠光體型熱強鋼的熱處理Chapter6耐熱鋼合適的熱處理制度可以使Cr、Mo保留在固溶體基體中，使VC均勻分布在馬氏體、貝氏體的高密度位錯網(wǎng)絡上，此時強化效果可以得到充分發(fā)揮。因此，通過馬氏體、貝氏體相變，細化基體嵌鑲塊結構，加上VC在此基體上的析出，則能得到上述的強化效果。又由于基體經過Cr、Mo的固溶強化，提高了基體的再結晶溫度，使這種強化在高溫回火時仍能保持。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼合適的熱處理制度可以使Cr、Mo保留在固溶體基體中，使VC均由此可見，只有含Mo、W、V、Ti、Nb等強碳化物形成元素的這類鋼，馬氏體和貝氏體的回火組織，才能顯示這種優(yōu)越性。若是C鋼、Mn鋼，則因基體再結晶溫度不高，滲碳體容易聚集長大，即使馬氏體、貝氏體相變能進行，這種相變引起的強化也不能在高溫下保持。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼由此可見，只有含Mo、W、V、Ti、Nb等強碳化物形成元素的這類鋼一般采用正火加高溫回火。正火可以得到相當數(shù)量的貝氏體組織，工藝簡便，生產上容易控制。正火的溫度通常選擇得較高，即980℃~1020℃，以使碳化物完全溶解并均勻分布?；鼗饻囟葹?20℃~740℃，2h~3h。一般采用高于使用溫度100℃~150℃的回火處理。但回火溫度也不宜過高，以避免超過Ac1，出現(xiàn)局部高碳奧氏體，在回火冷卻時出現(xiàn)少量黃色的高碳馬氏體塊，使鋼的性能變壞。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼這類鋼一般采用正火加高溫回火。Chapter6耐熱鋼和Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱二、中碳珠光體型熱強鋼這類鋼對應于中碳低合金調質鋼，制造工藝上一般采用熱鍛成形，較少要求冷彎、焊接的耐熱結構件。這類鋼的使用溫度低于過熱蒸氣管道的溫度，但對強度要求比低碳珠光體型耐熱鋼要高。因此將低碳珠光體型耐熱鋼中的碳含量適當提高即可滿足上述的性能要求。這類鋼主要用于制作汽輪機等耐熱緊固件，汽輪機轉子（主軸、葉輪等）。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼二、中碳珠光體型熱強鋼Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫中碳珠光體型熱強鋼在用于裝配緊固，即緊固件時，由于處于初緊預應力狀態(tài)，所以首先要求這類鋼在初緊時不產生屈服，即鋼在室溫下應有高的屈服強度；其次，緊固件在高溫和壓力下工作，應能長期保持一定的預緊應力，因而要求鋼有高的松弛穩(wěn)定性；最后，為了保證緊固件在長期使用過程中不出現(xiàn)脆性斷裂和氧化咬合，還要求鋼有一定的持久塑性和一定的抗氧化性。Chapter6耐熱鋼和鐵基高溫合金6.1珠光體型熱強鋼中碳珠光體型熱強鋼在用于裝配緊固，即緊固件時，由于處于初緊預1．中碳珠光體型熱強鋼的合金化在低碳珠光