第六章 耐热钢和耐热合金

第六章耐热钢和耐热合金第一节耐热钢和合金的工作条件及性能工具钢中，高速切削的刃具→红硬性使金属高温变形的模具→高的回火稳定性，红硬性，无论是摩擦生热使刃具的刃口、头附近温度↑，还是高温金属使模腔内表面附近温度升高，对整个工件，温升是局部发生的。有些动力机械中的构件，如汽轮机中的涡轮叶片、锅炉中的过热器、喷气发动机、电炉中的底板等，整个构件长时间处于高温下工作（1000℃上下），称作高温构件。第一节耐热钢和合金的工作条件及性能耐热钢：是指在高温下工作并具有一定抗氧化耐腐蚀能力的钢种，包括热稳定钢和热强钢。热稳定钢（抗氧化钢，不起皮钢）：高温下有较好的抗氧化性，或高温介质腐蚀及一定强度。热强钢：高温下有较高的强度，一定的抗氧化或高温腐蚀介质腐蚀的钢，较好的强度保证构件高温下工作不产生大量变形或断裂。高温引出的问题：高温影响钢的化学稳定性，主要是引起高温氧化高温降低钢强度，如何降低钢的强度？钢的热稳定性→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→抗氧化性：Fe+O2三种氧化物低温（560°）Fe2O3Fe3O4致密氧化膜高温（560°）Fe2O3Fe3O4下面形成FeO,Fe、O易于扩散接触反应P88，figure6－1合金元素对钢氧化速度的影响，Ni不能起抗氧化作用提高钢热稳定性①加入CrA1Si→Cr2O3,A12O3,FeO.Cr2O3,FeO.A12O3很致密并与钢件表面牢固结合的氧化膜→提高FeO形成温度，800--1200℃不出现。若无Cr,A1,Si等，560℃就形成FeO。→但A1,Si大量加入，钢强度韧性下降，脆性增加（二者均促进石墨化）Cr,A1,Si综合加入，A18%，Si3%，必须加入Cr阻止石墨化。提高钢热稳定性②→其它含金元素对抗氧化性影响不大，W,Mo氧化物低熔点高挥发，恶化抗氧化能力③→C含量控制0.1—0.2%，防止晶间腐蚀④→加入镧系稀土元素，氧化膜和基体间结合力增加，有利于抗氧化性提高热稳定钢F型——F型不锈钢基础上，加Si,A1(促进不墨化，加入量受限制)形成单相F基体，连续的氧化性保护膜，问题与F型不锈钢一样，晶粒粗大，韧性差。A型，在A型不锈钢上加A1，Si，比F型更好的工艺性能和热强性，室温加工性好。→为节省Cr,Ni资源，研究以MnN等代替Ni，研究成Fe-A1-Mn，Cr-Mn-N热稳定钢典型抗氧钢Cr13Si3，(Cr18Ni25Si2)金属热强性高温下钢的强度及变形不但与时间有关，而且与温度有关。高温下降评定材料的力学性能以热强性来评定，指耐热钢在高温和载荷共同作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。高温强度三指标，p88readtogether：蠕变强度：即蠕变极限，在某温度下，在规定时间达到规定变形(eg0.1%)时所能承受的应力）。持久强度：指在规定温度、规定时间断裂所承受力。持久寿命：规定温度、规定应力下拉断时间。影响耐热钢热强的因素→耐热钢软化的因素：①原子间结合力↓（最根本的原因）②T↑，扩散加快，组织由亚稳态向稳定态过渡，如第二相聚集长（大弥散强化消失）等，都导致钢的软化。→高温下形变断裂的方式常温下滑移方式进行。高温下，滑移，扩散形变，晶界滑动和迁移常温下断裂方式：穿晶断裂。高温下：沿晶断裂（晶间断裂）（高温下，晶界畸变小，空位多，扩散易进行裂纹扩展）提高热强性的途径基体强化：向Fe基及Ni基合金中加入Mo,W.Co,Cr等元素（熔点高，自扩散数小，能提高钢的再结晶温度），第二相聚集长大中减慢，使钢在高温下不易软化。第二相强化：主要是指难熔合金C化物，MC,M6C,M23C6等，要求稳定，细小均匀的弥散状态。更高的热强性，用稳定性更高的金属间化合物Ni3A1,Ni3Ti,Ni(TiAl)等提高热强性的途径晶界强化：a.控制晶界,适当控制粒大小（过小，过大，均不好）（过小，晶界数量变大，变形量增加；过大，脆性增大）b.净化晶界加入合金元素B，稀土等，固定S.P等杂质c.填补晶界空位：B.Ti、Zr等表面活化元素，填充晶界空位，阻碍晶界原子扩散，↑蠕变抗力d.晶界沉淀强化沉淀出不连续的强化相，使晶界滑移和裂纹的沿晶扩展受阻，↑钢热强性第二节铁素体型耐热钢包括铁素体－珠光体型和马氏体型。（使用温度350-650℃）与奥氏体型而热钢相比：合金元素含量低，价格低；马氏体耐热钢有良好的减震性，适用于高频振动的构件。铁素体-珠光体型成分：Σ合金元素∠5%Cr,W,Mo,V,Nb,Ti,B，低C低合金钢（但不同于低合金构件钢，合金元素W、Mo、V、Nb、Ti数量增加）钢中合金元素作用：→Cr,Si提高钢在580℃--650℃的抗氧化和抗气体腐蚀能力→V,Ti,Cr,Mo等强C化物形成元素，第二相质点强化要形成结构简单稳定的碳化物MC，复杂C碳化物易分解或长大，对蠕变强度不利。M/C须有适当比例，p89，read铁素体-珠光体型→Cr,Mo,W等固溶于基体，固溶强化，提高基体蠕变强度→B，微量强化晶界→C，低C或中C①良好的工艺性能；②稳定组织，珠光体球化和C化物聚集倾向珠光体热强钢在长期高温作用下，其中的片状碳化物转变成球状，分散细小的碳化物转变成大颗粒的碳化物。这种组织的转变导致导致钢的软化，导致蠕变极限，持久强度和屈服强度的降低。这种转变是一种由不平衡态向平衡态过渡的自发进行的过程，是通过碳原子的扩散进行的。铁素体-珠光体型1、珠光体球化和C化物聚集，Cr,Mo,V,Ti能阻碍或延缓球化及聚集过程。2、C石墨化高温、应力长期作用。Cr,Ti,Nb↓石墨化过程,A1强烈促进石墨化3、合金元素再分配V,Ti,Nb强C化物形成元素阻碍扩散、聚集，热强性4、热脆性：400--580℃长期服役，冲击韧性严重下降，发生脆性断裂。与杂质P，As，Sn，Sb等有关。高温回火后快冷消除铁素体-珠光体型5、热处理：正火（或油淬）+高温回火（使用温度+100℃）组织：铁素体+索氏体，（回火增加组织稳定性，使合金元素在铁素体和C化物之间的分布合理化）。6、典型钢号：12CrMoV表6－1热处理制度对12CrMoV钢持久强度的影响7、用途：（T∠650℃管壁，紧固件、叶轮，转子）马氏体型热强钢用途：用于制造汽轮机叶片，排气阀等，高温下工作时要求足够强度，韧性Cr13型(1Cr13,2Cr13)马氏体热强钢，调质处理（淬火，650-750℃回火），回火屈氏体和回火索氏体，专门用于各种叶片，叶片用钢，450℃以下使用Cr12型（2Cr12MoV，2Cr12WMoV），M23C6为强化相，W、Mo、V提高了M23C6稳定性，不易聚集长大。淬火＋高温回火，得到回火屈氏体或回火索氏体，组织稳定性高，500～580℃长期服役，气轮机转子或涡轮叶片第四节奥氏体型耐热钢→可在800℃以下使用，仍有较好的强度，比γ-Fe使用温度高。原因：γ--Fe原子间结合力大，扩散困难，再结晶温度高（800℃）三种类型γ-Fe基热强钢固溶强化型碳化物强化型金属间化合物强化型P93，read固溶强化型奥氏体耐热钢Cr18-Ni9（良好的热强性）奥氏不锈钢+少量Mo,W,Nb等元素进一步提高热强性1Cr18Ni19W2NbBW固溶强化，B晶界强化热处理：固溶处理后使用，中等强度，高温但强度要求低的场合使用1Cr18Ni19W2NbB，σ1000=200MPa碳化物沉淀强化奥氏体耐热钢成分：高Cr,Ni,形成奥氏体W,Mo,Nb,V等强C化物形成元素→0.3%以上的C保证足够的C化物形成→MC简单结构的碳化物为强化相，p93，时效温度的影响金属间化合物强化型热强钢（铁基高温合金）C很低：≤0.08％强化相：金属间化合物，γ′相Ni3(Ti，A1)，Ni3Ti与基体共格或半共格的沉淀强化，他们是不稳定相，p94，表6－4Ni含量较高(25%--40%)，以获得稳定的，并且有足够Ni形成相形成沉淀强化。金属间化合物强化热强钢Cr：提高钢的化学稳定性Mo：固溶强化作用Ni：稳定奥氏体组织Ti和Al：形成γ′相Ni3(Ti，A1)，Ni3Ti，p95，figure6－7B晶界强化Si必须加以控制p95，figure6－8，G相（Ni14Ti9Si6），消耗大量Ni第五节镍基耐热合金镍：→FCC无同素异构，高密度重金属8.99%/cm3→耐腐蚀，耐热，金属键强，蠕变起始温度高→纯Ni低强高塑，冷热塑性成形性能好镍基高温合金的合金化→Cr主加元素，↑热稳定性另外，Si,A1↑热稳定性→Cr,W,Mo，Co固溶强化→Ti,Al,Ta(钽)Nb,Hf（铪），Ta,V与C形成γˊ相（与基体共格）沉淀强化Ni3A1，Ni3Ti等，体积分数可达60—70%,C化物可形成第二相强化→B，Zr,Mg，稀土（RE）等强化晶界镍基高温合金的分类变形镍基高温合金（GH+序号表示）铸造高温合金（K1,K2等表示）变形镍基高温合金固溶强化型：合金元素Cr,W,Mo,Co抗氧化，焊接变形加工性能好，用于制造形状复杂承载不大，抗氧化，需冷压和焊接的高温合金，航空航天发动机燃烧室。变形镍基高温合金时效强化型：Ti,A1,Ta,V,C等，形成γˊ相成C化物第二相强化热处理：固溶处理+时效强化使用态组织：γ+强化相（γˊ+C化物）性能特点：抗氧化温度高，高温塑性较低，导热性差，加工硬化严重，切削加工困难（电解加工工艺）。主要用于高温下承载零构件。铸造镍基高温合金→当γˊ45%时，变形加工困难，尤其是形状复杂时，用铸造直接成形——铸造镍基高温合金→特点：更高的持久强度和高温强度，使用温度最高的高温合金→γ基体将大量强化相粘接固溶处理目的是均匀成分和组织等，通常不再进行时效处理。第六节新型耐热合金一、定向凝固耐热合金定向凝固和单晶技术：蠕变裂纹产生在垂直于应力方向的晶界上，为↓横向晶界，进而全部消除晶界，用定向凝固技术或单晶技术生产柱晶叶片，或单晶叶片，工作温度1000℃，寿命↑5—10倍，高温持久强度明显提高。粉末高温合金粉末高温合金：快速凝固生产合金粉末（惰性气体雾化法，旋转电极法），再用粉末冶金方法制成成品。优点：组织和成分均匀，显著提高室温和中温强度和疲劳强度。