耐熱鋼及耐熱合金課件

第十章耐熱鋼乙烯裂解裝置

第十章耐熱鋼乙烯裂解裝置1概述高溫下工作并具有一定強度和抗氧化、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。飛機發(fā)動機

概述高溫下工作并具有一定強度和抗氧化、耐蝕能力的鐵基合金稱為210.1耐熱金屬材料的工作條件及性能特點一、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性（高溫強度）四、耐熱鋼及耐熱合金的分類鍋爐管10.1耐熱金屬材料的工作條件及性能特點一、工作條件和性能3一、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：金屬在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，應(yīng)力小于材料的屈服強度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形，這個現(xiàn)象稱為蠕變。

汽輪機轉(zhuǎn)子一、耐熱金屬材料工作條件和性能要求工作環(huán)境汽輪機轉(zhuǎn)子4一、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性高溫強度又稱熱強性，是鋼在高溫下抵抗塑性變形和破斷的能力。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5一、耐熱金屬材料工作條件和性能要求熱強性能指標(biāo)的表達(dá)方式蠕變極限，持久強度、持久壽命。蠕變極限：在給定溫度下和規(guī)定時間內(nèi)到達(dá)規(guī)定變形量時所能承受的應(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。持久強度：在一定溫度下，在規(guī)定時間內(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間。

一、耐熱金屬材料工作條件和性能要求熱強性能指標(biāo)的表達(dá)方式6二、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定方法增重法，減重法（單位時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）

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7（一）普通鋼的高溫氧化超過300℃，碳鋼就會發(fā)生明顯氧化，溫度再升高，氧化加劇。超過570℃氧化特別強烈。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，氧原子能自由進入FeFeOFe3O4Fe2O3O2570℃以上Fe氧化膜示意圖（一）普通鋼的高溫氧化超過300℃，碳鋼就會發(fā)生明顯氧化，溫8（2）提高鋼抗氧化性的途徑形成保護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性的薄膜也是常用的方法（2）提高鋼抗氧化性的途徑形成保護性的氧化膜9三、耐熱金屬的熱強性（高溫強度）金屬高溫力學(xué)性能的特點1、與室溫力學(xué)性能的區(qū)別在于受溫度和時間的影響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)常為沿晶斷裂三、耐熱金屬的熱強性（高溫強度）金屬高溫力學(xué)性能的特點10三、耐熱金屬的熱強性（高溫強度）提高耐熱鋼熱強性途徑1.影響熱強性的因素（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－沿晶三、耐熱金屬的熱強性（高溫強度）提高耐熱鋼熱強性途徑11三、耐熱金屬的熱強性（高溫強度）2.提高熱強性途徑（1）基體強化提高基體的原子間結(jié)合力，降低固溶體的擴散過程。一般熔點高，自擴散系數(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性，如Mo，W，Co，Cr等。另外，奧氏體組織較鐵素體結(jié)合緊密，擴散不易進行。三、耐熱金屬的熱強性（高溫強度）2.提高熱強性途徑12提高耐熱鋼熱強性途徑（2）第二相沉淀強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碳化物作強化相，如MC，M23C6，M6C，更高溫度則用金屬間化合物作強化相，如Ni3（Al.Ti），Ni3Ti，Ni3Al等（3）晶界強化高溫晶界強度低，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.晶界沉淀強化等手段強化晶界。提高耐熱鋼熱強性途徑13四、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)）難熔金屬耐熱合金四、耐熱鋼和耐熱合金的分類按元素分:Fe基，Ni基，Co基，1410.2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10.2抗氧化鋼工作環(huán)境：高溫下長期工作1510.2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：抗氧化性能良好，但韌性低，不宜承受載荷10.2抗氧化鋼鐵素體型抗氧化鋼1610.2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10.2抗氧化鋼奧氏體型抗氧化鋼1710.3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，動力工業(yè)分類：低碳珠光體耐熱鋼和中碳珠光體耐熱鋼。10.3珠光體及馬氏體耐熱鋼10.3.1珠光體耐熱鋼18二、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19二、低碳珠光體耐熱鋼（鍋爐管子用鋼）2、化學(xué)成分特點：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為進一步提高抗氧化性，穩(wěn)定鋼的組織及熱強性。代表牌號：16Mo、12CrMo、12CrMoV，使用溫度為(350~550)℃

冷拔鍋爐管二、低碳珠光體耐熱鋼（鍋爐管子用鋼）2、化學(xué)成分特點：冷拔鍋20二、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散和再分配二、低碳珠光體耐熱鋼（鍋爐管子用鋼）3.組織穩(wěn)定性21（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。使鋼的強度明顯降低，完全球化后的持久強度比未球化的降低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。（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22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23（2）石墨化是低碳珠光體耐熱鋼組織變化中最危險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，強碳化物形成元素可抑制石墨化促進石墨化元素：Mo，Al，Si，Ni（2）石墨化是低碳珠光體耐熱鋼組織變化中最危險的組織241級石墨化，現(xiàn)象不明顯，游離碳占20%左右。σb降低不明顯，ak>7%2級明顯石墨化，游離碳占40%左右。2-3級時σb降低8-10%，ak4-7%

1級石墨化，現(xiàn)象不明顯，游離碳占20%左右。σb降低不明顯，25（3）合金元素在固溶體和碳化物中的擴散和再分配含Mo的珠光體耐熱鋼，如16Mo，15CrMo等，在高溫下工作，固溶體中的Mo會逐漸減少，而碳化物中的Mo會逐漸增多。使鋼的熱強性嚴(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等強碳化物形成元素（3）合金元素在固溶體和碳化物中的擴散和再分配含Mo的珠光體26二、中碳珠光體耐熱鋼（緊固件及汽輪機轉(zhuǎn)子用鋼）耐熱的緊固件（螺栓，螺母，氣封彈簧片，閥桿），汽輪機轉(zhuǎn)子（主軸，葉輪）等二、中碳珠光體耐熱鋼（緊固件及汽輪機轉(zhuǎn)子用鋼）耐熱的緊固件（27二、中碳珠光體耐熱鋼（緊固件及汽輪機轉(zhuǎn)子用鋼）使用環(huán)境特點：溫度低于鍋爐管子承受扭轉(zhuǎn)，彎曲，震動所產(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＋高溫回火二、中碳珠光體耐熱鋼（緊固件及汽輪機轉(zhuǎn)子用鋼）使用環(huán)境特點：2810.3.2馬氏體耐熱鋼汽輪機葉片葉片用鋼內(nèi)燃機排氣閥用鋼10.3.2馬氏體耐熱鋼汽輪機葉片葉片用鋼29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，熱強性，耐磨性，抗氧化性成分特點：在Cr13基礎(chǔ)上適當(dāng)添加W，V，Nb等元素提高熱強性代表鋼種：1Cr13，2Cr13，15Cr11MoV葉片用鋼工作環(huán)境：承受復(fù)雜應(yīng)力30內(nèi)燃機排氣閥用鋼工作環(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：機械疲勞，熱疲勞，氣體沖刷等性能要求：高溫強度，硬度，韌性，抗氧化性，耐蝕性，組織穩(wěn)定成分特點：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：索氏體內(nèi)燃機排氣閥用鋼工作環(huán)境：700-850℃，燃?xì)庵泻蠳a，3110.4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，這時必須采用γ-Fe基奧氏體耐熱鋼或耐熱合金10.4奧氏體耐熱鋼及耐熱合金概述：3210.4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℃。10.4奧氏體耐熱鋼及耐熱合金3310.4奧氏體耐熱鋼及耐熱合金奧氏體耐熱鋼的優(yōu)點較高的抗氧化性，高的塑性、韌性，良好的可焊性。缺點：室溫強度低，導(dǎo)熱性差，壓力加工及切削困難。分類：固溶強化型碳化物沉淀強化型金屬間化合物沉淀強化型（鐵基耐熱合金）10.4奧氏體耐熱鋼及耐熱合金奧氏體耐熱鋼的優(yōu)點34固溶強化型合金化特點低碳，主加元素為Cr，Ni形成奧氏體組織，添加W，Mo固溶強化提供固溶強化特點：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)動機的噴嘴等代表鋼種：Incoloy800『Cr20Ni32』固溶強化型合金化特點35碳化物沉淀強化型化學(xué)成分特點高Cr，Ni％以形成奧氏體；含有強碳化物形成元素：W，Mo，Nb，V等；特點：以碳化物為沉淀強化相熱處理：鑄態(tài)使用或鍛軋后經(jīng)固溶處理＋時效處理后使用代表鋼種：4Cr25Ni20（HK40）5Cr25Ni35（HP）5Cr25Ni33NbW組織特點：M7C3，MC為骨架強化晶界用途：石化裝置600-1050℃載荷不高碳化物沉淀強化型化學(xué)成分特點36金屬間化合物沉淀強化型化學(xué)成分特點：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)動機渦輪盤

金屬間化合物沉淀強化型化學(xué)成分特點：低碳，（0.08％）高N3710.5Ni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3810.5Ni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)定的強化相Ni3（Al，Ti）Nb形成Ni3（Al，Ti，Nb）沉淀強化Cr抗氧化B，Ce，Zr微量，強化晶界10.5Ni基高溫合金一、鎳基高溫合金的合金化39Ni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：較高的強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)動機葉片熱處理：1.固溶處理：1040-1230℃2.時效：從固溶處理后的介穩(wěn)狀態(tài)中析出強化相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)量和分布為時效處理作準(zhǔn)備Ni高溫合金的分類變形鎳基高溫合金40Ni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)進行的較完全，在鑄態(tài)下可直接使用。組織特點：顯微組織有疏松，偏析和枝晶（通過熱等靜壓工藝消除）Ni高溫合金的分類鑄造鎳基高溫合金4110.6高溫合金的發(fā)展一、采用特殊的先進技術(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.粉末冶金高溫合金消除組織的不均勻性，并細(xì)化