1、第六章 耐熱鋼,熱強性 抗氧化性能 強化方式 熱強鋼 抗氧化鋼 其它耐熱合金(簡介),高溫 常溫工作零件的根本不同在哪？ 原子擴散如何提高晶界強度？ 如何提高熱強性？ 組織轉(zhuǎn)變?nèi)绾伪３譄釓娦裕?如何保持組織穩(wěn)定性？,6.1 耐熱鋼工作條件及性能,最基本的要求： 高的高溫強度、高溫疲勞強度及塑性熱強鋼 高的高溫化學(xué)穩(wěn)定性（特別是抗氧化性能）熱穩(wěn)定鋼(抗氧化鋼） 良好的工藝性能及物理性能。,工作條件 蒸汽鍋爐、蒸汽渦輪，航空工業(yè)的噴氣發(fā)動機等許多工作部件在高溫下工作。不僅要承力，還與高溫蒸氣、燃氣、空氣等接觸，發(fā)生氧化與氣體腐蝕。通常把在高溫條件工作的鋼稱為耐熱鋼。,耐熱鋼的高溫性能指標(biāo),1. 蠕

2、變及蠕變強度 蠕變：鋼和合金在溫度和應(yīng)力作用下將發(fā)生連續(xù)而緩慢的變形。 蠕變強度：它表示在某溫度下，在規(guī)定時間達到規(guī)定變形（如0.1%）時所能承受的應(yīng)力。 可用 0.1/10000700 來表示。 主要針對使用過程中不允許有稍大變形的尺寸精確的零件，如高溫高壓下工作的鋼管、蒸汽渦輪葉片。,2. 持久強度與持久塑性,持久強度 在規(guī)定溫度和規(guī)定時間引起斷裂所能承受的最大應(yīng)力值。 通常在設(shè)計使用時間不太長（100-幾千小時）就可以更換的零件或不要求尺寸精確，但不允許斷裂的長期工作零件。 塑性 反映鋼材在高溫長期應(yīng)力下斷裂時的塑性。 許多鋼種在短時試驗時其塑性可能很高，但經(jīng)高溫長期試驗后鋼的塑性有急劇

3、下降趨勢，呈現(xiàn)出蠕變脆性。,3. 持久壽命 它表示在規(guī)定溫度和規(guī)定應(yīng)力作用下拉斷的時間。 4. 應(yīng)力松弛 高溫下工作的緊固件，在力的作用方向和零件尺寸不改變的條件下，工作零件中應(yīng)力自發(fā)降低的過程稱為應(yīng)力松弛現(xiàn)象。高溫下工作的緊固件要求有低的應(yīng)力松弛性能。 5. 高溫疲勞強度 6. 熱疲勞,熱強性如何提高？ 提高基體原子間結(jié)合力 金屬熔點：高 晶格類型：奧氏體 合金元素：固溶 增強組織結(jié)構(gòu)的抗蠕變能力 回火馬氏體蠕變極限最高 鐵素體和珠光體組織持久塑性高,耐熱鋼的強化 固溶強化（Mo, W, Cr為主）,合金晶格類型：fcc-Fe bcc-Fe, 奧氏體型鋼要 比F、M、P型鋼的蠕變抗力高。,固

4、溶體結(jié)合力：合金化固溶體原子間結(jié)合 力，Mo、W、Cr比Mn、Si 、 Ni作用較大。,常用合金元素對工業(yè)純鐵蠕變極限的影響,晶界強化 純化、凈化晶界（B，Re, Ca ）; 填充晶界空位，阻礙擴散（B，Ce）； 晶界沉淀強化（B）。,凈化晶界：雜質(zhì)易偏聚在晶界，形成易熔夾雜物 晶界強度。Re、B 優(yōu)先結(jié)合雜質(zhì)，形成 高熔點化合物，異質(zhì)晶核從晶界轉(zhuǎn)入晶內(nèi),填充空位：晶界上空位多，原子易快速擴散。B 易偏聚晶界，晶界空位。,沉淀強化 只有穩(wěn)定的MC型碳化物或耐熱的金屬間化合物的沉淀強化才使 鋼具有好的高溫強度。 熱處理強化 控制晶粒度； 改善強化相分布狀態(tài)。 細晶強化 形變強化,高溫化學(xué)穩(wěn)定性,

5、1. Fe的氧化膜的結(jié)構(gòu) 575以下，F(xiàn)e2O3和Fe3O4層; 575 以上，表層Fe2O3, 中間層Fe3O4，內(nèi)層FeO，約1:10:100 （氧化速度加快）。 FeO：結(jié)構(gòu)疏松，結(jié)合力弱，易剝落； Fe2O3、Fe3O4：結(jié)構(gòu)致密，和基體結(jié)合好。 要提高鋼的抗氧化性，首先要阻止FeO出現(xiàn)。 加入合金元素，使FeO形成溫度提高，且優(yōu)先形成穩(wěn)定氧化物； 形成穩(wěn)定而致密氧化膜。,2. 合金元素對鋼的氧化速度的影響 氧化膜的結(jié)構(gòu)要求：穩(wěn)定、致密、牢固（與基體結(jié)合緊密）。 加入Cr, Si, Al等， Cr、Al可單獨加入，Si 只能作輔加元素 (增加鋼的脆性)。 可以提高FeO出現(xiàn)的溫度，改善

6、鋼的高溫化學(xué)穩(wěn)定性; Cr2O3或Al2O3或SiO2；FeO-Cr2O3或FeO-Al2O3等尖晶石氧化物膜；Fe2SiO4氧化膜。,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Cr2O3 T，Cr。如600650，需要5%Cr ；800時， 為12%Cr，固溶強化效果。,Mo、W：低合金熱強性重要元素。 固溶強化；析出穩(wěn)定相。,Al：抗氧化性的有效元素。 在1000時， 6%Al18%Cr水平。冶金工 藝性， 使鋼變脆。 不能單獨加入，作為輔助合金化元素。,Si：抗氧化性的輔助元素。但效果比Al還要有效，但使鋼 脆性大，用Si代替部分Cr。 一般在23%Si。,Ni：獲得奧氏

7、體組織（一般在奧氏體耐熱鋼中使用）。,Ti、Nb、V：形成穩(wěn)定K，鋼松弛穩(wěn)定性，熱強性,C：較低。一方面起強化作用，另一方面促進鐵原子擴散， K聚集長 大 盡可能C。一般小于0.5%，多在小于0.2%。,耐熱鋼分類 F型耐熱鋼 350-650 包括F-P、F、M耐熱鋼。 奧氏體耐熱鋼 600-800 。 包括固溶強化、沉淀強化奧氏體耐熱鋼 耐熱合金分類 鐵基合金：750-850 Ni/Co基合金，650-1150。 Mo/Nb基合金，1000。,6.2 耐熱鋼鋼種,（一）F-P 耐熱鋼 按用途主要有鍋爐鋼管、緊固件和轉(zhuǎn)子用鋼等幾大類。 1、鍋爐鋼管常用鋼種 高溫和高壓，高溫?zé)煔夂退羝?安全可

8、靠 抗氧化和耐蝕，組織穩(wěn)定,工藝性能好。 12Cr1MoVG，15CrMoG, 12Cr2MoWVSiTiBG 合金元素作用： V，Ti 沉淀強化； Mo、W、Cr 固溶強化； Si和Cr 提高抗氧化性； B 強化晶界。,成分、熱處理、組織 合金元素總量不超過5%。 一般采用正火或正火加高溫回火：得到F+P組織；也有少量通過快冷或淬火+高溫回火：得到B或M組織。 用途：多用于鍋爐蒸汽管道，在450-620蒸汽介質(zhì)中長期運轉(zhuǎn)。 強化方法 固溶強化：以Mo, W, Cr為主要元素 碳化物沉淀強化：以V, Ti, Nb為主要元素 從提高高溫強度（持久強度）： MCM2CM6CM23C6M7C3,12

9、Cr1MoVG鋼為例： 980加熱后 爐冷 F + P組織 持久強度最低，持久塑性最高 空冷 （粒狀 B +少量 F +少量 M ）組織 高溫回火 （740） 淬火 M 組織-高溫回火（740） 高溫回火（740）-回火T-S組織 持久強度最高，持久塑性居中 回火溫度 = 使用溫度 + 100150,2、緊固件用珠光體耐熱鋼,緊 固 件,處于初緊預(yù)應(yīng) 力狀態(tài)工作,高的屈服強度、 松弛穩(wěn)定性， 缺口敏感性小， 一定抗氧化性。,C Cr/ Mo/ V,常用鋼：35CrMoV、25Cr2MoV鋼常用作中壓 氣輪機的 螺栓和螺母材料，25Cr2Mo1V鋼 在高壓電廠中 廣泛使用。,3、轉(zhuǎn)子用鋼,主軸、

10、葉輪 或整鍛轉(zhuǎn)子,熱強性，沿軸向、徑向均勻一致 的綜合力學(xué)性能淬透性。,常用鋼種：汽輪機葉輪常用中碳珠光體熱強鋼 制造。如35Cr2MoV、33Cr3WMoV鋼,過熱蒸汽，復(fù)雜應(yīng) 力（扭/彎/熱等）,（二）馬氏體耐熱鋼 1、葉片用鋼 由低C Cr13型馬氏體不銹鋼轉(zhuǎn)變而來，加入W, Mo, V, Nb, N, B ， Cr12型馬氏體耐熱鋼。 可作570汽輪機葉片、轉(zhuǎn)子。具有良好的消震性，但其組織穩(wěn)定性差。 主要碳化物為(Cr, M)23C6，還有其它碳化物。 鋼種：12Cr12Mo, 14Cr12MoV, 15Cr12WMoV。 回火T-回火S 強化相為M23C6，MC和M6C, 或Fe2W

11、 ； 組織：650-750 回火-回火T-S組織。,2、氣閥鋼 內(nèi)燃機排氣閥工作條件非常苛刻: 700850工作，受到燃氣的高溫腐蝕、氧化腐蝕和沖刷腐蝕磨損,熱疲勞 。 常用鋼號有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo。 采用1050淬火加熱、油冷，700左右回火，回火屈氏體索氏體，保持馬氏體形貌特征。 高于750的閥門需要采用奧氏體型熱強鋼。,（三）工業(yè)爐用耐熱鋼（抗氧化鋼） Fe-Al-Mn爐用耐熱鋼 +少量，工作溫度900 左右。 Cr-Mn-C-N爐用耐熱鋼 （ 組織 ） Cr19Mn12Si2N， Cr20Mn9Ni2Si2N 可用于850-1000的工業(yè)爐用耐熱件 。 高Cr-Ni奧

12、氏體爐用耐熱鋼 1000-1200長期工作 ，3Cr18Ni25Si2。,（四）奧氏體耐熱鋼 具有B.C.C的鐵素體型耐熱鋼，在600-650溫度條件下的蠕變強度明顯下降。 具有F.C.C結(jié)構(gòu)的奧氏體型耐熱鋼，在650或更高溫度（750 ）下有較高的高溫強度； 奧氏體型耐熱鋼可分為三類: 簡單奧氏體耐熱鋼（Cr18Ni9型奧氏體不銹鋼） 固溶強化型奧氏體耐熱鋼; 沉淀強化型奧氏體耐熱鋼。,1. Cr18Ni9型奧氏體不銹鋼 Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼在600左右具有較高的持久強度，也可用來制作600左右工作的鍋爐和汽輪機和鍛件。 2. 固溶強化型奧氏體耐熱鋼 如12Crl4Ni9W2NbB

13、、06Cr18Ni14Mo2Nb等，以W、Mo進行固溶強化，以硼進行晶界強化。 這類鋼可用來制造在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。鋼具有中等持久強度和高塑性。,3. 沉淀強化耐熱鋼,（1）碳化物沉淀強化耐熱鋼 這類鋼的沉淀強化相為MC型碳化物，并含有W、Mo等固溶強化元素。以NbC為沉淀強化相的鋼為40Cr13Ni13Co10Mo2W3Nb3。 常用的是以錳部分代鎳的35Cr13Mn8Ni8MoVNb （GH2036）鋼，強化相是（V，Nb）C，它以VC為主，溶有部分鈮。VC析出的最高速度的溫度在670-700，在此溫度時效后，鋼具有最

14、高的沉淀硬化。另外一種碳化物是復(fù)合的M23C6型的(Cr，Mn，Mo，F(xiàn)e，V)23C6，但不能成為沉淀強化相。,（2）金屬間化合物沉淀強化型耐熱鋼,合金元素鈦和鋁在奧氏體耐熱鋼時效過程中能析出金屬化合物為主要沉淀強化相。-Ni3（Ti，Al）點陣常數(shù)與基體相近，二者僅稍有差別，當(dāng)相析出時，能形成共格，產(chǎn)生沉淀強化。 GH2132（A-286）鋼是典型的金屬間化合物沉淀強化耐熱鋼，用來制造噴氣發(fā)動機部件，有較高的高溫強度，可以在650-700使用，對要求抗氧化而強度要求不高的零件，可以在850長期工作。它還具有好的熱加工性和切削加工性能。,1）GH2132（A-286）鋼成分 其主要成分為：

15、C 0.08%，Cr 13.5-16%，Ni 24-27，Mn 1-2， Mo 1-1.5， Ti 1.75-2.30， Al0.40%。 Cr: 主要提高鋼的化學(xué)穩(wěn)定性，15%左右； Mo: 主要起固溶強化作用； Ni：獲得穩(wěn)定奧氏體組織，形成金屬間化合物沉淀強化相； Ti, Al：主要是形成-Ni3（Ti，Al），經(jīng)過時效處理產(chǎn)生沉淀強化；,GH132鋼時效沉淀相的相區(qū)與鋁鈦含量的關(guān)系,當(dāng)Ti1.4%, 產(chǎn)生相。含鈦高而含鋁極低時，析出的相不穩(wěn)定，會逐漸轉(zhuǎn)變成簡單六方結(jié)構(gòu)-Ni3Ti（胞狀沉淀）。因此Al的作用主要用來穩(wěn)定含鈦的相的FCC結(jié)構(gòu)，保持強化作用。鋁含量過高，除形成外，還出現(xiàn)Ni

16、2AlTi相，其穩(wěn)定性差，易聚集長大，不能作為沉淀強化相。 當(dāng)鈦的含量增加至2.15%，產(chǎn)生最大的沉淀強化作用；當(dāng)鈦的含量過高時,易產(chǎn)生缺口敏感性，除加入鉬改善外，還需加入V和B才能消除。 B能產(chǎn)生晶界強化, 并能提高持久塑性，B0.001-0.01%。 C、Si和Mn要控制在下限，B控制在中下限。,GH2132（A-286）鋼的熱處理 固溶處理溫度為980-1000：可獲得合適的晶粒度，成分均勻，具有較高的伸長率、成型性和焊接性。 時效溫度為700-760，沉淀強化效果最好。以極小的球狀顆粒分布在基體上，與基體共格。,（3）鐵基耐熱合金,用W、Mo、Ti、Al進一步強化的鐵基耐熱合金如GH2

17、135（Cr15Ni35W2Mo2Ti2Al2.5）等，可在700-750工作。 GH2150（Cr14Ni40W4Mo2Ti2.5Al2）等可在800工作，以取代鎳基合金。 但在長時間高溫作用，在晶界易析出脆性相，降低組織穩(wěn)定性和造成脆化傾向。這需要從調(diào)整成分和細化晶粒來減少其析出程度。,6. 3 鎳基耐熱合金,一合金化原理 鐵基耐熱合金的最高工作溫度只能達到750-850，在更高溫度下使用的是鎳基耐熱合金。鎳基合金是在Cr20Ni80基礎(chǔ)上加入大量強化元素如鎢、鉬、鈦、鋁、鈮、鈷、鉭等。 鎳基耐熱合金中采用金屬間化合物作為沉淀強化相，首先采用的是-Ni3 (Ti, Al)相。 -Ni3 (

18、Ti, Al)相與鎳基固溶體有相同的點陣類型和相近的點陣常數(shù)，相與基體形成共格，其相界面能低，使其在高溫下長期停留時聚集長大速度小，且-Ni3(Ti, Al)相本身具有較好的塑性，故其是理想的沉淀強化相。,-Ni3(Ti,Al)相對合金的強化表現(xiàn)在兩方面： 1）共格強化； 2）反相疇界強化。 機制 當(dāng)鎳基合金時效時，析出相與固溶體保持共格，相的點陣常數(shù)稍大于固溶體，形成共格界面時存在匹配度差，因而在相周圍的固溶體中產(chǎn)生畸變應(yīng)力。匹配度差越大，畸變應(yīng)力也越大。這種畸變應(yīng)力場阻礙位錯運動，提高了屈服強度，強化了合金。,合金元素作用 W、Mo、Cr在鎳基合金中能提高原子間的結(jié)合力，起固溶強化作用。 Co可溶于-Ni3(Ti,Al)中形成-(Ni，Co)3(Ti,Al)相，提高其穩(wěn)定性。還可增加的含量，提高高溫強度及其使用溫度。 Cr的另一主要作用是提高鎳基合金鋼的抗氧化性。 雜質(zhì)元素特別是低熔點金屬，如鉛、銻、錫、鉍等，強烈降低晶界的強度、高溫沖擊韌性和高溫塑性。這些雜質(zhì)元素有強的晶界偏聚傾向，富集于晶界，降低了晶界原子擴散激活能，使鎳基合金的持久強度強烈降低。加