新材料概论结课报告

1超级钢与高温合金的研究进展与应用陈进（材料学院，成型12-3班，11355118）摘要：本文选择了超级钢与高温合金两种材料作为本课程结业报告的主题，主要介绍了什么是超级钢与高温合金钢；钢材的性能与材料的组织结构、加工工艺、材料性质之间的关系；超级钢与高温合金钢的应用、发展现状与未来展望。关键词：超级钢；高温合金；性能与工艺；发展现状；未来展望一、引言在现代社会中，我们的日常生活与工作处处都离不开材料，作为人类历史上较早使用的材料，由于具有其高强度、好的延展性、高的硬度等性能，钢铁与合金材料对我们有着极其重要的作用。尽管现在的高分子材料在某些领域有取代钢铁与合金材料的趋势，但是它的应用依旧非常广泛，如航天航空、造船、潜艇、火车动车等。而且随着科学技术的发展，对钢铁与合金材料的强度、硬度、耐低温和高温、抗腐蚀等性能提出了更高的要求。在《先进材料导论》这门课程中，我了解到了许多应用于各行各业的具有不同特殊性能的材料。在课程结束之际，我总结了我所收集和了解到的有关超级钢与高温合金的信息来作为课程的结束。二、超级钢1.超级钢概述1.1.分类传统细晶粒钢的晶粒尺寸通常在100μm以下。随着冶金技术和生产工艺的不断进步,细晶的尺寸不断缩小,甚至达到了微米,超细晶粒钢不包括传统细晶钢,按超细晶粒钢发展进程和其尺寸大小,可分为以下几类。1.1.1.TMCP钢控轧后立即加速冷却所制造的钢,称为TMCP(Thermo-MechanicalControlProcess)钢。利用TM2CP工艺在实验室中,晶粒尺寸可达到几个微米,但在实际工业生产中,所得钢的晶粒尺寸小于50μm,最小可达10μm。1.1.2.新一代钢铁材料新一代钢铁材料的主要特征是:在充分考虑经济性的条件下,钢材具有高洁净度、超细晶粒、高均匀度的特征,强度比常用钢材提高一倍,钢材使用寿命增加一倍。高洁净度是指S、P、O、N、H元素的总含量小于0.008%,这样不但可提高钢材原有的性能,有时还可赋予钢材新的性能。超细组织是指晶粒尺寸在0.1～10μm之间,细化晶粒是唯一能提高强度而不降低韧性甚至提高韧性的方法。高均匀度指的是成分、组织和性能很均匀,波动范围很小。在钢的化学成分-工艺-组织-性能的关系中,强调了组织的主导地位,即其超细的微观组织表现出优异的综合性能。1.2.化学成分和冶金特点细晶钢具有低碳和低碳当量以及低的杂质含量,不仅有益于其焊接性,同时也有利于改善钢的其它性能,如焊接接头中HAZ和母材的韧性以及对氢致裂纹(HIC)、硫化物应力腐蚀裂纹(SSCC)的抗力等。细晶钢中也含有少量的Nb、V、Ti等微合金元素,其主要目的是为了形成碳、氮化合物,从而有效防止晶粒长大。由于细晶钢低的S、P、N元素含量和控制加入的微合金元素,其氮化物形成元素的存在将使自由氮降低,减小了时效影响,有利于韧性的改善。生产高洁净度、高均匀度的细晶钢的冶金特点主要是针对如何提高其洁净度,即减少S、P、N、O和H等元素的含量。其冶金和生产工艺技术已有很大的进步。由“分段精炼”这一思想而建立的铁水“三脱”(脱硅、脱硫和脱磷)工艺和转炉少渣冶炼工艺发展到为满足石油2管线钢抗H2S腐蚀的要求,确立了铁水包Mg-Ca脱硫预处理工艺、真空喷粉脱硫工艺,再到炉外精炼、无缺陷连铸坯的生产工艺等。1.3.工艺方法和强韧化特点欲获得超细晶粒钢,有多种工艺方法:同一快速加热条件下的热处理反复多次作用、金属粉末机械研磨、控轧、控冷、TMCP、复合TMCP法等。利用生产工艺技术是获得超细晶粒的主要手段。生产工艺技术是超细晶粒钢具有优良强韧综合性能的决定因素,因此超细晶粒钢与传统钢所不同的是其化学成分不能用于预测钢种的强度。超细晶粒钢的主要特点是碳含量低,因此其强化手段不是通过增加碳含量和合金元素含量,而是通过晶粒细化、相变强化、析出强化等相结合的方法来达到提高强韧化的目的。晶粒细化(变形细化和相变细化)是唯一能够同时提高钢强度和韧性的方法,故其成为超细晶粒钢最佳的强化机制。利用第二相粒子析出的沉淀强化是超细晶粒钢采用的另一种强化机制,高温时在奥氏体内形成的粒子虽然对控制晶粒长大有效,但不会造成强化,强化粒子是低温时在奥氏体或铁素体内形成的,位错与亚结构强化也是一种有效的强化方式。1.4.超级钢的比较优势超级钢的生产可立足于现有的设备条件和普碳、碳锰钢的基本成分,设备改造投资较小;可少用或不用合金元素,有效降低资源消耗,成本低。合金元素使用量的减少,还能够使废钢的回收利用变得容易,有利于环境保护。超级钢较传统钢材性能高,可获得优异的塑韧性、屈强比和良好的焊接性,可替代一部分微合金钢和低合金高强钢。2.超级钢研发现状2.1.国外研发现状1997年日本首先启动了“超级钢基础研究”十年计划。1998韩国启动了“二十一世纪高性能结构钢”计划。2001年欧盟启动了“超级晶粒钢开发”计划。2002年美国在钢铁研究指南中公布了两个新一代钢铁材料开发项目。但到目前为止,大多数仍处于实验室研究阶段,未见大规模工业应用报道。2.2.中国超级钢研发现状我国钢产量自1996年以来一直稳居世界第一,在世界上奠定了钢铁大国的地位。但在钢铁品种质量方面,我国与世界先进水平仍有很大差距,沿用了几十年的钢种体系急需更新换代。在此国内外背景下,1998年在国家重点基础研究发展规划项目“973计划”中启动了“新一代钢铁材料基础研究”项目。围绕采用高新技术提高钢铁产品质量、促进钢材品种更新换代这一战略目标,在“973项目”研究的基础上,2001年在国家高技术研究发展计划“863计划”中又安排了题为“500MPa碳素钢先进工业化制造技术”超级钢开发项目,积极参与到国际竞争中。钢铁研究总院与东北大学、北京科技大学合作,与生产企业和用户联合攻关,历经五年于2005年完成了课题任务。我国超级钢的生产取得重要进展,实现了系列超级钢的大批量工业生产400MPa超级钢热轧带钢首先在上海宝钢2050热连轧生产线上实现工业生产。紧随其后,本钢、鞍钢、珠钢和武钢等厂家也分别实现了400MPa和500MPa超级钢带钢的大批量生产。400MPa级超级钢棒线材在鞍钢线材厂首先实现批量生产。江西萍钢、山东济钢也成功轧制出超级钢螺纹钢。2005年江西萍钢生产的超级钢螺纹钢供应市场实现增效1亿多元。图1为我国超级钢近几年来的产量情况。3.超级钢的工业应用3.1.应用于汽车制造业超级钢首先在汽车制造业找到了市场。超级钢零部件可以减轻车身自重、减少油耗,正是汽车制造企业急需的新材料。上海宝钢生产的400MPa级超级钢用于一汽集团卡车底盘发动机前置横梁,各项指标全部满足要求,且吨钢成本较原来可节省200～300元。一汽集团已将超级钢横梁列为企业标准。宝钢、鞍钢生产的超级钢已向一汽持续批量供货。卡车纵梁是关键承重件,500MPa级超级钢在这方面的应用经济效益更加明显。本钢生产的500MPa超级钢已为辽宁金州车架厂、吉林辉南车架厂供货,武钢、珠钢的超级钢也已向二汽集团供货。33.2.应用于建筑业在建筑行业中,应用超级钢替代传统Ⅱ级钢筋具有良好前景。可以扭转我国混凝土用钢水平的落后局面。建设部新修订的混凝土结构设计规范已将屈服强度为400MPa级的Ⅲ级钢筋作为主导受力钢筋。可以预见,普通的200MPa级钢筋将逐渐被400～500MPa的钢筋取代,低成本高强度的超级钢棒线材将为建筑业提供有力的支撑。在经济高速发展的大背景下,建筑业的繁荣将为超级钢棒线材提供广阔的市场空间。2003年,首钢生产了1000多吨超级钢钢筋用于国家大剧院3.3.应用于其它行业超级钢在其它行业中也有广阔的应用前景。过去依靠添加微合金元素来改善性能的造船用钢、桥梁用钢、容器用钢等均可考虑通过细化晶粒来提高强度改善韧性。这样,既可保证使用性能和工艺性能,又可降低成本。2005年,宝钢梅山超级钢桥梁钢板、钢管研发成功,用壁厚6mm的超级钢钢管替代壁厚8mm的低合金钢管,抗撞击性能大大优于普通结构钢,直接应用于国家重点工程上海东海大桥,降低了大桥整体自重,经济社会效益相当可观。4.未来展望超级钢研发、生产及应用将成为世界钢铁工业的新亮点,必将成为未来主流钢材品种,在全球资源日益匮乏的条件下,促使钢铁工业焕发新的生机走上良性可持续发展之路。作为发展中国家的中国,超级钢的发展更符合中国的国情,已被列为“十一五”重点发展的新材料之一。超级钢的发展将促使现有钢材品种全面升级换代,产品结构将得到根本优化,将达到“普钢超级化、特钢更优化”,提升钢铁企业市场竞争力,奠定中国钢铁强国的地位,超级钢也必将在未来的建设中发挥不可替代的作用。三、高温合金1.概述超耐热合金典型组织是奥氏体基体，在基体上弥散分布这碳化物、金属间化合物等强化相。高温合金的主要元素有铬、钴、铝、钛、镍、钼、钨等。合金元素起稳定的奥氏体基体组织，形成强化相，增加合金的抗氧化和抗腐蚀能力的作用。常用的高温合金有铁基、镍基和钴基3种。1.1.高温合金分类1.1.1.铁基超耐热合金铁基高温合金是奥氏体不锈钢发展起来的，含有一定量的铬和镍等元素。它是中等温度（600~800℃）条件下使用的重要材料，具有校核的中温力学性能和良好的热加工塑性，合金成分比较简单，成本较低。主要用于制作航空发动机和工业燃气轮机上涡轮盘，也可以制作导向叶片、涡轮叶片、燃烧室，以及其他承力件、紧固件等。另一用途是制作柴油机上的废气增压涡轮。由于沉淀强化型铁基合金的组织不够稳定抗氧化性较差，高温强度不足，因而铁基合金不能在更高温度条件下应用。1.1.2.镍基超耐热合金以镍为基体（含量一般大于50%）、在650~1000℃范围内具有较的强度和良好的抗氧化性、抗燃气腐蚀能力的高温合金。镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多的合金元素，且能保持较好的稳定性；二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物γ’-[Ni(Al,Ti)]相作为强化相，使合金的得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是很含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可以分为固溶强化合金和沉淀强化合金：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬、钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。1.1.3.钴基超耐热合金钴基超耐热合金是含钴量40%~65%的奥氏体高温合金，在730~1100℃下，具有一定的高4温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。用于制作工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片等。钴基合金的发展应考虑钴的资源情况。钴是一种重要的战略资源，世界上大多数国家缺钴，以至于钴基合金的发展受到限制。钴基合金一般含镍10%~22%，铬20%~30%以及钨、钼、钽和铌等固溶强化和碳化物形成元素，含碳量很高，是一类以碳化物为主要强化相的高温合金。钴基合金的耐热能力与固溶强化元素和碳化物形成元素含量多少有关。1.2.工艺方法与强韧化特点1.2.1.固溶强化加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、钼等)引起基体金属点阵的畸变，加入能降低合金基体堆垛层错能的元素（如钴）和加入能减缓基体元素扩散速率的元素（钨、钼等），以强化基体。1.2.2.沉淀强化通过时效处理，从过饱和固溶体中析出第二相（γ’、γ、碳化物等），以强化合金。γ‘相与基体相同，均为面心立方结构，点阵常数与基体相近，并与晶体共格，因此γ相在基体中能呈细小颗粒状均匀析出，阻碍位错运动，而产生显著的强化作用。γ’相是A3B型金属间化合物，A代表镍、钴，B代表铝、钛、铌、钽、钒、钨，而铬、钼、铁既可为A又可为B。镍基合金中典型的γ‘相为Ni3(Al,Ti)。γ’相的强化效应可通过以下途径得到加强：①增加γ‘相的数量；②使γ’相与基体有适宜的错配度，以获得共格畸变的强化效应；③加入铌、钽等元素增大γ’相的反相畴界能，以提高其抵抗位错切割的能力；④加入钴、钨、钼等元素提高γ‘相的强度。γ相为体心四方结构