耐熱鋼及耐熱合金

耐熱鋼及耐熱合金第1頁/共48頁概述高溫下工作并具有一定強(qiáng)度和抗氧化、耐蝕能力的鐵基合金稱為耐熱鋼。在高溫下使用的Ni基，Co基，Mo基，Nb基，Ta基等合金稱為高溫合金。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)

第2頁/共48頁10.1耐熱金屬材料的工作條件及性能特點(diǎn)一、工作條件和性能要求二、耐熱鋼的抗氧化性三、耐熱金屬材料的熱強(qiáng)性（高溫強(qiáng)度）四、耐熱鋼及耐熱合金的分類鍋爐管第3頁/共48頁一、耐熱金屬材料工作條件和性能要求工作環(huán)境高溫高壓力（較大應(yīng)力）高溫氧化（高溫腐蝕）失效形式高溫氧化（熱腐蝕）蠕變熱疲勞等蠕變：金屬在長時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形，這個(gè)現(xiàn)象稱為蠕變。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子第4頁/共48頁一、耐熱金屬材料工作條件和性能要求應(yīng)具備的基本性能優(yōu)良的高溫力學(xué)性能－熱強(qiáng)性高溫化學(xué)穩(wěn)定性物理性能（高溫下的熱膨脹率，熱導(dǎo)性）良好的加工性能鋼的熱強(qiáng)性高溫強(qiáng)度又稱熱強(qiáng)性，是鋼在高溫下抵抗塑性變形和破斷的能力。第5頁/共48頁一、耐熱金屬材料工作條件和性能要求熱強(qiáng)性能指標(biāo)的表達(dá)方式蠕變極限，持久強(qiáng)度、持久壽命。蠕變極限：在給定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)規(guī)定變形量時(shí)所能承受的應(yīng)力?；蛟诮o定的溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變速度的應(yīng)力。持久強(qiáng)度：在一定溫度下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，材料斷裂所能承受的最大應(yīng)力。持久壽命：在某一溫度和規(guī)定應(yīng)力作用下，從作用開始到拉斷的時(shí)間。

第6頁/共48頁二、耐熱鋼的抗氧化性抗氧化性不是說在高溫條件下不被氧化，而是指在高溫下迅速氧化，但在氧化后能在金屬表面形成一層連續(xù)致密的，并能牢固附著在金屬表面的氧化薄膜，這層薄膜起到隔絕氧氣與金屬基體接觸的作用，防止金屬被繼續(xù)氧化?？寡趸栽u(píng)定方法增重法，減重法（單位時(shí)間單位面積上氧化后重量的增減來表征），容量法（恒壓下測量O2的消耗量），壓力法（密閉容器中，用壓力下降來測定氧氣的消耗量）

第7頁/共48頁（一）普通鋼的高溫氧化超過300℃，碳鋼就會(huì)發(fā)生明顯氧化，溫度再升高，氧化加劇。超過570℃氧化特別強(qiáng)烈。570℃以下，F(xiàn)e的氧化膜主要由Fe2O3＋Fe3O4組成，但超過570℃主要由FeO＋Fe3O4+Fe2O3組成，而FeO是缺位固溶體，氧原子能自由進(jìn)入FeFeOFe3O4Fe2O3O2570℃以上Fe氧化膜示意圖第8頁/共48頁（2）提高鋼抗氧化性的途徑形成保護(hù)性的氧化膜主要采用合金化的方法，一般添加Cr，Al，Si元素形成Cr2O3，Al2O3和SiO2氧化膜，防止氧化Cr是最常用的抗氧化元素滲鋁，滲Cr或者在金屬表面涂覆保護(hù)性的薄膜也是常用的方法第9頁/共48頁三、耐熱金屬的熱強(qiáng)性（高溫強(qiáng)度）金屬高溫力學(xué)性能的特點(diǎn)1、與室溫力學(xué)性能的區(qū)別在于受溫度和時(shí)間的影響2、高溫下的斷裂形式發(fā)生變化常溫下均為穿晶斷裂，高溫下經(jīng)常為沿晶斷裂第10頁/共48頁三、耐熱金屬的熱強(qiáng)性（高溫強(qiáng)度）提高耐熱鋼熱強(qiáng)性途徑1.影響熱強(qiáng)性的因素（1）影響耐熱鋼軟化的因素溫度提高，原子間結(jié)合力下降，原子擴(kuò)散系數(shù)增大，使鋼中的亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)過渡等導(dǎo)致軟化（2）形變斷裂方式的變化穿晶－沿晶第11頁/共48頁三、耐熱金屬的熱強(qiáng)性（高溫強(qiáng)度）2.提高熱強(qiáng)性途徑（1）基體強(qiáng)化提高基體的原子間結(jié)合力，降低固溶體的擴(kuò)散過程。一般熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散系數(shù)小，能提高再結(jié)晶溫度的合金元素固溶于基體都能提高熱強(qiáng)性，如Mo，W，Co，Cr等。另外，奧氏體組織較鐵素體結(jié)合緊密，擴(kuò)散不易進(jìn)行。第12頁/共48頁提高耐熱鋼熱強(qiáng)性途徑（2）第二相沉淀強(qiáng)化主要要求第二相穩(wěn)定，不易聚集長大，能在高溫長期保持細(xì)小彌散分布。耐熱鋼大多用高熔點(diǎn)碳化物作強(qiáng)化相，如MC，M23C6，M6C，更高溫度則用金屬間化合物作強(qiáng)化相，如Ni3（Al.Ti），Ni3Ti，Ni3Al等（3）晶界強(qiáng)化高溫晶界強(qiáng)度低，適當(dāng)增大晶粒度，減少晶界數(shù)量是常用的方法，另外，還可以采用a.凈化晶界；b.填充晶界空位；c.晶界沉淀強(qiáng)化等手段強(qiáng)化晶界。第13頁/共48頁四、耐熱鋼和耐熱合金的分類按元素分:Fe基，Ni基，Co基，Mo基，Ta基，

Nb基等。按組織分：

α-Fe基耐熱鋼（珠光體耐熱鋼，馬氏體耐熱鋼，鐵素體耐熱鋼）

γ-Fe基耐熱鋼（奧氏體耐熱鋼）

Ni基耐熱合金（Cr20Ni80為基礎(chǔ)）難熔金屬耐熱合金第14頁/共48頁10.2抗氧化鋼工作環(huán)境：高溫下長期工作載荷不大應(yīng)用舉例：工業(yè)加熱爐的構(gòu)件分類：鐵素體型抗氧化鋼奧氏體型抗氧化鋼第15頁/共48頁10.2抗氧化鋼鐵素體型抗氧化鋼在鐵素體不銹鋼基礎(chǔ)上添加適量的Si，Al發(fā)展而來。Cr13型：Cr13Si3，Cr13SiAl，800-850℃Cr18型：Cr18Si2，Cr17Al4Si，1000℃Cr25型：Cr24Al2Si，Cr25Si2，1050-1100℃特點(diǎn)：抗氧化性能良好，但韌性低，不宜承受載荷第16頁/共48頁10.2抗氧化鋼奧氏體型抗氧化鋼在奧氏體不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展而來，比鐵素體不銹鋼有更好的熱強(qiáng)性和加工工藝性能，可承受一定載荷。代表：Cr18Ni25Si2

為了節(jié)省Ni，開發(fā)了Fe-Al-Mn和Cr-Mn-N系第17頁/共48頁10.3珠光體及馬氏體耐熱鋼10.3.1珠光體耐熱鋼一、概述定義：珠光體耐熱鋼指在正火狀態(tài)下，顯微組織是珠光體的耐熱鋼。應(yīng)用：石油化工，動(dòng)力工業(yè)分類：低碳珠光體耐熱鋼和中碳珠光體耐熱鋼。第18頁/共48頁二、低碳珠光體耐熱鋼（鍋爐管子用鋼）1.工作條件及性能要求工作條件：主要用作鍋爐管，管內(nèi)高壓蒸汽，外壁與火焰煙氣接觸性能要求：足夠的高溫強(qiáng)度和持久性能足夠的抗氧化及耐蝕性能足夠的組織穩(wěn)定性能良好的冷、熱加工性能第19頁/共48頁二、低碳珠光體耐熱鋼（鍋爐管子用鋼）2、化學(xué)成分特點(diǎn)：低的含碳量：0.08-0.2％可保證良好的冷、熱加工性，抗氧化性，不易產(chǎn)生碳化物的聚集長大、球化和石墨化。適量的Cr，Mo，W，V，Ti，Nb為進(jìn)一步提高抗氧化性，穩(wěn)定鋼的組織及熱強(qiáng)性。代表牌號(hào)：16Mo、12CrMo、12CrMoV，使用溫度為(350~550)℃

冷拔鍋爐管第20頁/共48頁二、低碳珠光體耐熱鋼（鍋爐管子用鋼）3.組織穩(wěn)定性低碳珠光體耐熱鋼在使用過程中組織經(jīng)常發(fā)生一系列的變化，導(dǎo)致構(gòu)件失效，主要有三個(gè)方面：（1）珠光體的球化及碳化物聚集長大（2）石墨化（3）合金元素在固溶體和碳化物中的擴(kuò)散和再分配第21頁/共48頁（1）珠光體的球化及碳化物聚集長大珠光體耐熱鋼在高溫下長期使用，都發(fā)生層片狀珠光體球化和片狀滲碳體的聚集長大。使鋼的強(qiáng)度明顯降低，完全球化后的持久強(qiáng)度比未球化的降低1/3左右。一般添加Cr，Mo，V形成碳化物，可明顯阻止?jié)B碳體的球化。第22頁/共48頁未球化，珠光體中碳化物略呈片狀

輕度球化，珠光體區(qū)域中碳化物開始分散，并開始向晶界擴(kuò)散，珠光體形態(tài)尚明顯。

中度球化，珠光體區(qū)域中的碳化物已明顯分散，并已向晶界聚集，珠光體尚保留其形態(tài)

完全球化，珠光體已基本消失，球狀碳化物分布在晶界及鐵素體基體上，分散度大第23頁/共48頁（2）石墨化是低碳珠光體耐熱鋼組織變化中最危險(xiǎn)的組織滲碳體分解出石墨

Fe3C＝3Fe＋G（石墨）后果：鋼的蠕變極限，持久強(qiáng)度，塑性，韌性明顯下降預(yù)防：0.3-0.5％的Cr可預(yù)防石墨化，強(qiáng)碳化物形成元素可抑制石墨化促進(jìn)石墨化元素：Mo，Al，Si，Ni第24頁/共48頁1級(jí)石墨化，現(xiàn)象不明顯，游離碳占20%左右。σb降低不明顯，ak>7%2級(jí)明顯石墨化，游離碳占40%左右。2-3級(jí)時(shí)σb降低8-10%，ak4-7%

第25頁/共48頁（3）合金元素在固溶體和碳化物中的擴(kuò)散和再分配含Mo的珠光體耐熱鋼，如16Mo，15CrMo等，在高溫下工作，固溶體中的Mo會(huì)逐漸減少，而碳化物中的Mo會(huì)逐漸增多。使鋼的熱強(qiáng)性嚴(yán)重下降降低合金元素再分配方法

固溶體復(fù)合合金化加入Ti，V，Nb等強(qiáng)碳化物形成元素第26頁/共48頁二、中碳珠光體耐熱鋼（緊固件及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鋼）耐熱的緊固件（螺栓，螺母，氣封彈簧片，閥桿），汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子（主軸，葉輪）等第27頁/共48頁二、中碳珠光體耐熱鋼（緊固件及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鋼）使用環(huán)境特點(diǎn)：溫度低于鍋爐管子承受扭轉(zhuǎn)，彎曲，震動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力和溫度梯度引起的熱應(yīng)力性能要求較高的熱強(qiáng)性，熱疲勞性，高溫塑性，韌性的綜合性能加工一般采用鍛造加工，少用焊接合金化特點(diǎn)含碳量較高＋Cr，Mo（提高淬透性和回火穩(wěn)定性）＋適量的Ti，Nb，V，B等。熱處理淬火＋高溫回火第28頁/共48頁10.3.2馬氏體耐熱鋼汽輪機(jī)葉片葉片用鋼內(nèi)燃機(jī)排氣閥用鋼第29頁/共48頁葉片用鋼工作環(huán)境：承受復(fù)雜應(yīng)力高壓蒸汽沖刷性能要求：高的耐蝕性，熱強(qiáng)性，耐磨性，抗氧化性成分特點(diǎn)：在Cr13基礎(chǔ)上適當(dāng)添加W，V，Nb

等元素提高熱強(qiáng)性代表鋼種：1Cr13，2Cr13，15Cr11MoV第30頁/共48頁內(nèi)燃機(jī)排氣閥用鋼工作環(huán)境：700-850℃，燃?xì)庵泻蠳a，S，V等氣體和鹽類介質(zhì)損傷形式：機(jī)械疲勞，熱疲勞，氣體沖刷等性能要求：高溫強(qiáng)度，硬度，韌性，抗氧化性，耐蝕性，組織穩(wěn)定成分特點(diǎn)：添加Si提高抗氧化性，Mo提高淬透性和第二類回火脆性代表鋼種：4Cr9Si2，4Cr14Ni14W2Mo熱處理工藝：淬火+高溫回火，使用組織：索氏體第31頁/共48頁10.4奧氏體耐熱鋼及耐熱合金概述：珠光體及馬氏體耐熱鋼均為α-Fe基，在使用溫度超過600℃以上，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性都不足以保證良好的使用性能，這時(shí)必須采用γ-Fe基奧氏體耐熱鋼或耐熱合金第32頁/共48頁10.4奧氏體耐熱鋼及耐熱合金γ-Fe基奧氏體耐熱鋼比α-Fe基耐熱鋼具有更高的熱強(qiáng)性，原因在于：

1.γ-Fe晶型的原子間結(jié)合力比α-Fe大；

2.γ-Fe中Fe及其他元素原子的擴(kuò)散系數(shù)小，再結(jié)晶溫度高，其再結(jié)晶溫度可以達(dá)到800℃以上，而α-Fe再結(jié)晶溫度為450－600℃。第33頁/共48頁10.4奧氏體耐熱鋼及耐熱合金奧氏體耐熱鋼的優(yōu)點(diǎn)較高的抗氧化性，高的塑性、韌性，良好的可焊性。缺點(diǎn)：室溫強(qiáng)度低，導(dǎo)熱性差，壓力加工及切削困難。分類：固溶強(qiáng)化型碳化物沉淀強(qiáng)化型金屬間化合物沉淀強(qiáng)化型（鐵基耐熱合金）第34頁/共48頁固溶強(qiáng)化型合金化特點(diǎn)低碳，主加元素為Cr，Ni形成奧氏體組織，添加W，Mo固溶強(qiáng)化提供固溶強(qiáng)化特點(diǎn)：焊接及冷加工成型性好使用環(huán)境：溫度較高，承受載荷不大的零件上，如高溫傳送帶，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴等代表鋼種：Incoloy800『Cr20Ni32』第35頁/共48頁碳化物沉淀強(qiáng)化型化學(xué)成分特點(diǎn)高Cr，Ni％以形成奧氏體；含有強(qiáng)碳化物形成元素：W，Mo，Nb，V等；特點(diǎn)：以碳化物為沉淀強(qiáng)化相熱處理：鑄態(tài)使用或鍛軋后經(jīng)固溶處理＋時(shí)效處理后使用代表鋼種：4Cr25Ni20（HK40）

5Cr25Ni35（HP）

5Cr25Ni33NbW組織特點(diǎn)：M7C3，MC為骨架強(qiáng)化晶界用途：石化裝置

600-1050℃

載荷不高第36頁/共48頁金屬間化合物沉淀強(qiáng)化型化學(xué)成分特點(diǎn)：低碳，（0.08％）高Ni（25-40％），添加Al，Ti，Mo，W，V穩(wěn)定奧氏體并形成γ‘[Ni3(Al,Ti)]相沉淀強(qiáng)化代表鋼種：

GH132（0Cr15Ni26MoTi2AlVB），GH130應(yīng)用：600-700℃,載荷較大構(gòu)件，如渦輪盤，導(dǎo)向葉片等航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤

第37頁/共48頁10.5Ni基高溫合金耐熱鋼和鐵基耐熱合金在較高載荷下使用溫度只能達(dá)到750-850℃，對(duì)于更高溫度下使用的部件，一般采用Ni基，Co基及其他難熔金屬為基體的合金第38頁/共48頁10.5Ni基高溫合金一、鎳基高溫合金的合金化Ni基高溫合金是在Cr20Ni80的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，合金中加入大量的強(qiáng)化元素，如W，Mo，Ti，Al，Nb，Co等，一般不含F(xiàn)e基體是Ni，組織是奧氏體合金元素作用Al，Ni，Ti生成穩(wěn)定的強(qiáng)化相Ni3（Al，Ti）Nb形成Ni3（Al，Ti，Nb）沉淀強(qiáng)化Cr抗氧化B，Ce，Zr微量，強(qiáng)化晶界第39頁/共48頁Ni高溫合金的分類變形鎳基高溫合金鑄造后經(jīng)鍛軋加工特點(diǎn)：較高的強(qiáng)度和高溫持久性能較好的持久塑性，較好的加工性能。使用溫度：700-1000℃用途：噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱處理：1.固溶處理：1040-1230℃2.時(shí)效：從固溶處理后的介穩(wěn)狀態(tài)中析出強(qiáng)化相3.中間熱處理（二次固溶處理）：控制合金晶界沉淀相的種類、大小、數(shù)量和分布為時(shí)效處理作準(zhǔn)備第40頁/共48頁Ni高溫合金的分類鑄造鎳基高溫合金由于熔煉新工藝，細(xì)化晶粒及小孔鑄造技術(shù)的發(fā)展，使鑄造鎳基高溫合金質(zhì)量獲得較大的提升和改善，使用溫度可達(dá)1050℃.由于鑄造后冷卻緩慢，多數(shù)析出反應(yīng)進(jìn)行的較完全，在鑄態(tài)下可直接使用。組織特點(diǎn)：顯微組織有疏松，偏析和枝晶（通過熱等靜壓工藝消除）第41頁/共48頁10.6高溫合金的發(fā)展一、采用特殊的先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)高溫合金目的：提高使用溫度，力學(xué)性能和耐蝕能力1.粉末冶金高溫合