金属材料第六章.

第六章耐热钢引言钢的热稳定性及热稳定钢金属的热强性热强钢第六章耐热钢引言耐热钢概念：在高温下工作并具有一定强度和抗氧化、耐腐蚀能力的钢种。各种动力机械，如热电站中的锅炉和蒸汽轮机、航空和舰艇用的燃汽轮机以及原子反应堆工程等结构中的结构件是在高温状态下工作。要求钢在高温下应具有：抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化性能；在一定介质中耐腐蚀的能力以及足够的韧性；具有良好的加工性能及焊接性；按照不同用途具有合理的组织稳定性。直线关系：氧化膜不完整，不连续时，钠、镁、钙y=Kt+A抛物线关系：氧化膜覆盖金属表面，膜层中可进行离子的扩散，铁、钴、镍、铜、锰y2=Kt+A对数关系：膜不仅能覆盖金属表面，而且膜层中离子扩散比较困难，铬、铝、硅y=lnKt主要包括:热稳定性钢：高温下抗氧化、抗高温介质腐蚀的钢种。炉底板、炉栅失效形式为高温氧化，承载不大。热强钢：高温下具有一定抗氧化性并具有足够的强度而不产生大量变形和断裂的钢种。高温螺栓、涡轮叶片第六章耐热钢引言第六章耐热钢第一节钢的热稳定性和热稳定钢一、钢的热稳定性及其提高途径钢的热稳定性是指钢在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀的能力。钢的抗氧化性高低一般用单位时间、单位面积上氧化后质量增加或减少的数值表示，单位为g/m2h。质量增加常用于冷却后氧化物仍然紧密附着在金属表面上的材料，如高合金钢的氧化。质量减少常用于碳钢、低合金钢或氧化物容易剥落的材料。减小质量或增加质量的程度越小，钢的稳定性越高。提高钢热稳定性的合金化原理含碳量：在0.1~0.2%左右，碳过高会形成Cr23C6等碳化物，妨碍钢表面氧化膜的连续性主加元素：Cr,Ni,Mn，目的是形成单相组织，提高基体电极电位，形成钝化膜，其中Cr是最主要的提高钢抗氧化性的元素辅加元素：Al,Si等，形成Al2O3,SiO2等钝化膜，但含量不能太高，否则会增加钢的脆性第六章耐热钢第一节钢的热稳定性和热稳定钢第六章耐热钢第一节钢的热稳定性和热稳定钢二、主要钢种1.铁素体型热稳定性钢在铁素体不锈钢基础上加入Si,Al，进一步提高钢的抗氧化性钢种：Cr13Si3,Cr18Si2,Cr25Si2,Cr13SiAl等特点：抗氧化性很好，但晶粒粗大，韧性低用途：低于800~1000C下工作的炉用构件第六章耐热钢第一节钢的热稳定性和热稳定钢二、主要钢种2.奥氏体型热稳定性钢（1）在奥氏体不锈钢基础上加入Si,Al，如Cr18Ni25Si2等特点：工艺性能好，抗氧化性好，热强性好，但太贵了使用温度达到1100C的炉用构件、渗碳箱等（2）Fe-Al-Mn型（无铬镍抗氧化钢），如6Mn18Al5Si2Ti特点：便宜，但抗氧化能力较差使用温度达到950C的炉用构件（3）Cr-Mn-N型，如Cr20Mn9Ni2Si2N特点：工艺性能好，抗氧化性好，承载能力均较好使用温度850~1050C的炉用构件第六章耐热钢热强性：钢在高温和载荷共同作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。一、高温下金属材料的力学性能热强性包括材料高温条件下的瞬时性能和长时性能。瞬时性能：加热到一定温度，保温一定时间（使试样热透）后的力学性能。如高温拉伸、高温冲击和高温硬度等。长时性能：材料在高温及载荷共同长时间作用下所测得的性能。常见的性能指标有蠕变极限、持久强度、应力松弛、高温疲劳强度和冷热疲劳。第二节金属的热强性1.蠕变：材料在一定应力作用下缓慢地产生塑性变形的现象第六章耐热钢第二节金属的热强性一、高温下金属材料的力学性能2.蠕变蠕变机制（2）位错运动（3）晶界滑动（4）扩散形变（1）基体软化第六章耐热钢第二节金属的热强性一、高温下金属材料的力学性能1.蠕变蠕变极限：高温及长期载荷作用下材料的塑性变形抗力指标，有两种表示方法：一定温度下，使试样产生规定蠕变速率的应力值一定温度下，在规定的时间t内使试样产生一定蠕变伸长的应力值stvH/t或std/t表示s为极限应力，MPa;t为试验温度，℃；t为试验时间，h;d为变形量,%;vH为恒定蠕变速率，%/hOa为开始加载后所引起的瞬时变形，如果应力超过金属在该温度下的弹性极限，则Oa由弹性变形Oa’加塑性变形aa’组成。ab为蠕变的第I阶段，蠕变速率随时间增加而逐渐减小。bc为蠕变的第II阶段，蠕变的稳定阶段，蠕变速率基本不变。tga表示蠕变速率。cd为蠕变加速进行的阶段，直到d点断裂为止。理想材料：很小的第I阶段，第II阶段低的蠕变速率，延长产生1%变形量的时间，明显的第III阶段。第六章耐热钢第二节金属的热强性二、钢热强性的影响因素及其提高途径1.影响耐热钢热强性的因素影响耐热钢的软化因素。随着温度的升高，钢的原子间结合力降低，原子扩散系数增大，从而导致钢的组织由亚稳态向稳定态过渡。形变断裂方式的变化。低温时滑移方式；高温时滑移、扩散形变及晶界的滑动与迁移第六章耐热钢第二节金属的热强性2、钢热强性的提高途径（1）阻碍基体软化过程提高钢的回复和再结晶温度a-Fe的再结晶温度为450~600C，-Fe再结晶温度为800C阻碍原子的扩散选择原子排列密集的结构奥氏体钢912C时，a-Fe的自扩散系数是-Fe的240倍Ni在a-Fe中的扩散系数比在-Fe中高1400倍527C时，N在a-Fe中的扩散系数比在-Fe中高1500倍加入自扩散慢且又阻碍铁原子扩散的元素Mo,W,Co等阻碍刃位错的攀移（如何实现？）选择奥氏体钢加入降低奥氏体层错能的元素：Cr,Mo等第六章耐热钢第二节金属的热强性二、提高钢热强性的途径（2）提高钢材的高温变形抗力增加位错运动的阻力固溶强化：加入熔点高、扩散激活能大的元素(Cr,W,Nb等)第二相强化：加入合金元素，形成高温下稳定的第二相粒子加入强碳化物形成元素：Cr,W,Mo,Nb,Ti等加入形成金属间化合物的元素：Al,Ni,Ti等增加晶界滑动阻力净化晶界：S,P等在晶界偏聚使晶界弱化，应尽量降低其含量（如何降低？）加入B、稀土等元素，形成高熔点稳定化合物，作为晶核，使易熔杂质从晶界转入晶内。填补晶界上的空位：主要是加入B元素可填充晶界空位，阻碍晶界原子扩散晶界沉淀强化：如在晶界上形成Cr23C6钉扎晶界的运动减少晶界数量：晶粒度在2~4级比较好第六章耐热钢一、珠光体热强钢在650C以下有较好的热强性，而且工艺性能好，价格便宜1.低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）碳含量：0.08~0.2wt%主加元素：Cr,Mo，主要起固溶强化作用，同时阻碍扩散过程辅加元素：V,Ti,B，形成稳定的碳化物，强化晶界代表钢种：12CrMoV使用温度：不超过580C第三节热强钢2.中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢）碳含量：0.2~0.4wt%代表钢种：25Cr2MoVA,20Cr1Mo1VTiB3.珠光体型热强钢工作过程中产生的组织变化珠光体的球化和碳化物的聚集片状碳化物转变成球状，分散细小的碳化物聚集成大颗粒的碳化物。钢的石墨化在工作温度和应力长期作用下，钢件会使碳化物分解成游离的石墨，自发进行合金元素的再分布长期工作时，会发生合金元素的再分配，碳化物形成元素Cr、Mo向碳化物内扩散、富集，造成固溶体合金元素贫化，导致热强性下降。热脆性热脆性与该温度下某种新相的析出有关。防止热脆性的措施使钢的长期工作温度避开脆性区温度；冶炼时尽量降低wN、wP;已发生热脆性的钢，可采用600～650℃高温回火后快冷的方法消除。第六章耐热钢二、马氏体热强钢1.燃汽轮机叶片用钢：承受复杂应力（离心力、弯矩、拉力等），承受高压蒸汽冲刷，要求高的耐腐蚀性、热强性、耐磨性和高的抗氧化性由Cr13型马氏体不锈钢发展起来辅加元素：Mo,W,V、B等代表钢种：2Cr13,15Cr12WMoVA使用温度：不超过620C第三节热强钢2.内燃机排气阀用钢：使用温度更高、腐蚀更严重碳含量：0.4wt%左右主要合金元素为Cr,Si,Mo等代表钢种：4Cr9Si2,4Cr10Si2Mo使用温度：不超过700C第六章耐热钢三、奥氏体热强钢第三节热强钢优点：使用温度高、可焊性好、塑韧性好、热稳定性好缺点：室温屈服强度低、切削加工性能差、导热性差、热疲劳性能差珠光体、马氏体类热强钢一般使用温度在650℃以下，不适于更高温度。原因是其基体为铁素体，先天不足。奥氏体基钢比铁素体钢具有更高的热强性的原因：-Fe晶格的原子间结合力比a-Fe晶格的原子间结合力大；-Fe扩散系数小；-Fe的再结晶温度高（a-Fe再结晶温度为450～600℃，而-Fe再结晶温度大于800℃）。1.固溶强化型由Cr-Ni奥氏体不锈钢发展起来辅加元素：Mo,W,Nb等代表钢种：1Cr18Ni9Mo,1Cr14Ni9W2Nb使用条件：不超过800C，承载较小2.碳化物沉淀强化型碳含量：0.4wt%左右成份特点：高Cr(25wt%),高Ni(35wt%)代表钢种：4Cr25Ni35,4Cr25Ni35WNb使用温度：不超过600~1050C3.金属间化合物强化热强钢（铁基高温合金）碳含量：0.08％合金中的强化相是金属间化合物’-Ni3(TiAl)、Ni3Ti，故wNi较高（25％～40％），同时含有Al、Ti、Mo、V、B等合金元素。为了使’相具有较好的强化效果，需要进行适当热处理。如GH132:980~1000℃两小时固溶处理，700～760℃范围内16h时效处理，此时’相便以极细小的颗粒分布，从而达到最好的强化效果。若在GH132钢的基础上，再向钢中加入W、Mo、Ti、Nb等元素，同时增加Ni含量，以稳定奥氏体，可使钢的使用温度提高到750～800℃。奥氏体基热强钢的最高使用温度只能达到750～800℃。对于更高温度下使用的耐热钢，则采用无同素异构转变的Ni基和难熔金属为基的合金。