《金屬材料學(xué)》第6章 耐熱鋼

1、第6章 耐熱鋼及鐵基耐熱合金 蒸汽鍋爐、蒸汽渦輪，航空工業(yè)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，以及航天、艦船、石油和化工等工業(yè)部門的許多工作部件在高溫下工作。因?yàn)槭窃诟邷叵路?，所以這些零部件技術(shù)要求比較苛刻。通常把在高溫條件工作的鋼稱為耐熱鋼。 耐熱鋼應(yīng)具有兩方面的基本性能，一是有良好的高溫強(qiáng)度和塑性，二是有足夠高的高溫穩(wěn)定性。根據(jù)不同服役條件，常常將耐熱鋼分為熱強(qiáng)鋼和熱穩(wěn)定性鋼兩大類。6.1 基本概念 1 金屬的抗氧化性 鐵氧化物類型有FeO、Fe2O3、Fe3O4三種。 FeO：結(jié)構(gòu)疏松，冷卻分解應(yīng)力，結(jié)合力弱，易剝落； Fe2O3、Fe3O4：結(jié)構(gòu)致密，和基體結(jié)合好。 570以下，氧化膜由Fe2O3和Fe3

2、O4組成； 570以上，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO氧化物組成，約1:10:100. 570以上鐵的氧化過程大大地加速，遵守拋物線規(guī)律形成規(guī)律二、提高鋼抗氧化性的途徑 1、提高鋼氧化膜穩(wěn)定性 FeO的形成溫度; FeO的形成溫度 , 又優(yōu)先形成穩(wěn)定氧化物 Cr、Al、 Si。途徑例子 如：1.03Cr，F(xiàn)eO形成溫度為600； 1.14Si ，F(xiàn)eO形成溫度為 750； Cr、Al量高時(shí)，鋼的表面可生成致密的Cr2O3或Al2O3保護(hù)膜。2、形成致密、穩(wěn)定的氧化膜 Cr、Al、Si、Ti等，逐步形成以合金元素氧化物為主或合金元素氧化物的氧化膜， 如Al2O3、SiO2、Cr2O3等致

3、密、穩(wěn)定。Concepts and classificationsHeat-resistant steels and refractory alloys: Metallic materials possess required strength, oxidization-resistance and anti-corrosion ability at high-temp. Category according to the quantity of alloy elements:Low alloy pearlite-type heat-resistant steels: Developed ba

4、sed on low alloy structural steels.High alloy heat-resistant steels for special purpose: Developed based on stainless steels.Heat-resistant steels for special purpose: Refractory steels(熱強(qiáng)鋼) and thermostable steels(熱穩(wěn)定鋼)according to application properties.Refractory steels: 在高溫下,有一定抗氧化能力,并具有足夠強(qiáng)度,而不產(chǎn)

5、生大量變形或斷裂的鋼種，如高溫螺栓、渦輪葉片等。 Thermostable steels:在高溫下,抗氧化或抗高溫介質(zhì)腐蝕而不破壞的鋼種，如爐底、爐柵等。又稱抗氧化鋼。Category according to crystalline structure:Austenite-type for oxidization resistanceFerrite-typeMartensite-type for high-strengthPH-type(precipitation hardening)耐熱鋼和高溫合金的使用溫度范圍十分寬廣，從幾百度到千度以上。一般來講，耐熱鋼和高溫合金工作溫度是指該金屬或合

6、金的（0.30.5）Tm 以上的溫度。 Classifications of refractory alloysAccording to type of basic alloy elements: Fe-based refractory alloys: Basing on Fe, total amount of alloy elements is larger than 50.Ni(Co)-based refractory: Basing on nickel or cobalt.According to processing methods: Deformation refractory al

7、loysCast refractory alloysPowder-metallurgical refractory alloysAccording to strengthening methods:Solid solution strengthening typePH-typeIntermetallics-typeOxidization dispersion strengthing-typeFiber strengthing-type鐵基、鈷基和鎳基合金的使用溫度一般不超過1000，溫度再高就必須選用難熔金屬（指熔點(diǎn)高于1650的金屬）或其合金了。 6.1.2 鋼的熱強(qiáng)性一、鋼的熱強(qiáng)性能指標(biāo)1

8、、蠕變及蠕變極限 蠕變極限是試樣在一定溫度下和在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的蠕變變形量（總的或殘余的）或蠕變速率等于某規(guī)定值時(shí)的最大應(yīng)力。 例如： , 表示在700時(shí)，持續(xù)時(shí)間為 10000 h，產(chǎn)生蠕變總變形量為1%的蠕變極限。2、持久強(qiáng)度 持久強(qiáng)度極限是試樣在一定溫度和規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)引起斷裂的最大應(yīng)力值， 如： =300MPa，表示在700時(shí)，持續(xù)時(shí)間為100 h的持久強(qiáng)度極限值為300 MPa。3、高溫疲勞強(qiáng)度 在高溫疲勞時(shí)只有條件疲勞極限，即把在某一規(guī)定的循環(huán)次數(shù)（一般采用107108次）下而不斷裂時(shí)的最大應(yīng)力作為疲勞極限。4、應(yīng)力松弛 應(yīng)力松弛現(xiàn)象是在具有恒定總變形的零件中，隨時(shí)間延長(zhǎng)

9、而自行降低應(yīng)力的現(xiàn)象。蒸汽管道螺栓需要經(jīng)常擰緊 原子易發(fā)生擴(kuò)散，使彈性變形變成了塑性變形,從而使應(yīng)力不斷降低二、提高熱強(qiáng)性的途徑1、強(qiáng)化基體基體金屬熔點(diǎn)：Tm，金屬原子間結(jié)合力。 鐵、鎳、鉬基是依次合金晶格類型：fcc-Fe bcc-Fe, 奧氏體型鋼要比 F、M、P型鋼的蠕變抗力高固溶體結(jié)合力：合金化固溶體原子間結(jié)合 力，Mo、Cr、Mn、Si作用較大常用合金元素對(duì)工業(yè)純鐵蠕變極限的影響2、強(qiáng)化晶界凈化晶界：雜質(zhì)易偏聚在晶界，形成易熔夾雜物 晶界強(qiáng)度。RE、B優(yōu)先結(jié)合雜質(zhì)，形成 高熔點(diǎn)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(kuò)散。B 易偏聚晶界，晶界空位。3、彌散強(qiáng)化

10、 彌散質(zhì)點(diǎn)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)度 有效性和程度的關(guān)鍵是質(zhì)點(diǎn)的性質(zhì)、大小、分布、穩(wěn)定性。 珠光體熱強(qiáng)鋼的蠕變強(qiáng)度4、熱處理6.1.3 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(shí)，為12%Cr。固溶強(qiáng)化Mo、W：低合金熱強(qiáng)性重要元素。固溶強(qiáng)化， 析出穩(wěn)定相。Al：抗氧化性的有效元素。 在1000時(shí)， 6%Al18%Cr水平。冶金工 藝性，使鋼變脆。 不能單獨(dú)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，使鋼脆性大，用Si代替部分Cr。G化， K聚集長(zhǎng)大。一般在23%Si。 用于滲碳罐，抗?jié)B性

11、好。 Ni：獲得奧氏體組織 Ti、Nb、V：形成穩(wěn)定K，鋼松弛穩(wěn)定性， 熱強(qiáng)性 C：較低溫度時(shí)強(qiáng)化鋼，G化，K聚集長(zhǎng) 大 盡可能C。6.2 熱強(qiáng)鋼6.2.1 珠光體熱強(qiáng)鋼 按用途主要有鍋爐鋼管、緊固件和轉(zhuǎn)子用鋼等幾大類。一、鍋爐鋼管用珠光體熱強(qiáng)鋼 高溫和高壓，高溫?zé)煔夂退羝?安全可靠 抗氧化和耐蝕，組織穩(wěn)定,工藝性能好 Strengthening methods:Solid solution strengtheningAddition of W, Mo and Cr (less than 5%)W and Mo soluble in -matrix, increase atomic bond

12、ing strength, recrystallization temp. and creep resistance.Cr0.5% significant strengthening effect 0.5% weak strengthening effect26(2) Precipitation hardeningMCM2CM6CM7C3V, Ti, Nb MCW, Mo M2C and M6C(Fe3W3C and Fe3Mo3C)Lower content Cr cementite (Fe,Cr)3C, Higher content Cr (2-3%) (Cr,Fe)7C3. 27(3)

13、Microstructure hardening 12Cr1MoV：Aus. Temp. 980 Furnace cooling ferrite + pearlite;Air cooling granular bainite + a small amount of ferrite + martensite, sequent high-temp. tempering;Quenching martensite, sequent high-temp. tempering;Creep-rupture strength: M+HTTGB+HTTF+P;Creep-rupture plasticity:

14、F+PGB+HTTM+HTT.2829普遍問題 組織不穩(wěn)定，如片狀P球化、K長(zhǎng)大、G化， 強(qiáng)度，管子爆裂合金化 0.2%C 球化、K長(zhǎng)大、G化 采用 Cr- Mo- V系 Mo、W 、Cr 固溶強(qiáng)化，K長(zhǎng)大和G化，Cr抗氧化性和耐蝕性；VTi直接作用間接作用形成穩(wěn)定MC型K，彌散強(qiáng)化，熱強(qiáng)度使更多Mo、W 、Cr固溶，熱強(qiáng)度 典型鋼號(hào)12Cr1MoVG是用量較大的鋼管材料，15CrMo、12CrMoV 等二、緊固件用珠光體熱強(qiáng) 緊固件處于初緊預(yù)應(yīng)力狀態(tài)工作高的屈服強(qiáng)度、松弛穩(wěn)定性，缺口敏感性小，一定抗氧化性CCr/ Mo/ V常用鋼：35CrMoV、25Cr2MoV鋼常用作中壓 氣輪機(jī)的螺栓和

15、螺母材料，25Cr2Mo1V鋼 在高壓電廠中廣泛使用三、轉(zhuǎn)子用鋼轉(zhuǎn)子主軸、葉輪或整鍛轉(zhuǎn)子過熱蒸汽，復(fù)雜應(yīng)力（扭/彎/熱等） 熱強(qiáng)性，沿軸向、徑向均勻一致的綜合力學(xué)性能淬透性。常用鋼：汽輪機(jī)葉輪常用中碳珠光體熱強(qiáng)鋼 制造。如35Cr2MoV、33Cr3WMoV鋼6.2.2 馬氏體熱強(qiáng)鋼一、葉片用鋼 在Crl3型馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)一步合金化發(fā)展了Crl2型馬氏體耐熱鋼。 15Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等，工作溫度可在600左右。 常用于大功率火力發(fā)電機(jī)組。 1. 1Cr13, 2Cr13Good oxidization resistance and corrosion resi

16、stance, but bad microstructure stabilityManufacture turbine blades below 4502. Cr12-typeBased on Cr12 martensite heat-resistant steelsAddition of Mo, W, V, Nb, N and BManufacture turbine blades under 570 35Effect of alloy elements:W and Mo Addition of W and Mo can eliminate Cr7C3 and results in the

17、formation of (C,Mo,W,Fe)23C6, precipitation hardening effect.Part of W and W is soluble in M23C6 and M6C and most of W and W are soluble in matrix(solution hardening).36(2) V and Nb Formation of MC, precipitation hardening(3) NFormation of MN, precipitation hardening(4) BGrain boundary hardening372C

18、r12MoV and 2Cr12WMoV 大型發(fā)電設(shè)備中，大口徑厚壁高壓鍋爐蒸汽管道、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和蝸輪葉片，工作溫度500-580。1Cr9W2MoVNbNB 多元復(fù)合合金化，具有高的蠕變強(qiáng)度，高壓鍋爐用鋼。38二、氣閥鋼內(nèi)燃機(jī)排氣閥工作條件非常苛刻: 700850工作，受到燃?xì)獾母邷馗g、氧化腐蝕和沖刷腐蝕磨損,熱疲勞 。 常用鋼號(hào)有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo，采用1050淬火加熱、油冷，700左右回火，組織為回火索氏體，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(qiáng)鋼。 6.3 抗氧化鋼 抗氧化鋼用于工業(yè)爐的構(gòu)件、爐底板、爐罐等. F型是在F型不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展形成。 A

19、型抗氧化鋼是在A不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 A型抗氧化鋼目前主要有鉻-鎳系和鉻-錳-氮系。鉻-錳-氮系奧氏體型抗氧化鋼在950以下有較好的抗氧化性，且有較高的高溫強(qiáng)度，工藝性不如鉻-鎳系抗氧化鋼。低鎳奧氏體抗氧化鋼，使用比較多的有ZG4Cr22Ni4N和 ZG3Cr24Ni7N鋼，經(jīng)濟(jì)。 6.4 PH heat-resistant steels 6.4.1 Carbide PH heat-resistant steelsTypical steels 4Cr13Ni13Co10Mo2W3Nb3 4Cr13Mn8Ni8MoV3Nb(GH36) (Ni replaced by Mn)Strengthe

20、ning mechanism (Nb,V)C precipitating at 670-700 another carbide M23C6 41426.4.2 Intermetallics PH heat-resistant steelsChemical composition Austenite containing Al and Ti43Strengthening mechanismCoherent precipitation of -Ni3(Ti,Al) during aging process. The lattice constant of -Ni3(Ti,Al) is closer

21、 to the matrix.44454647486.5.1 BackgroundThe maximum temp. of Fe-based heat-resistant alloys is 750-850Ni-based alloys were developed for higher service temp. Basing on Cr20Ni80 alloyAddition of a large amount of elements in order to strengthen the alloy, such as W, Mo, Ti, Al, Nb, Co, Ta.496.5 New

22、type heat-resistant alloys6.5.2 Effect of alloy elementsPrecipitation phase -Ni3(Al,Ti) Al and Ti-Ni3(Al,Ti)Coherent precipitationLow interfacial energyLow growth rate at high temp.Good plasticity-Ni3TiAl/Ti150512. Solid solution strengtheningAddition of W, Mo and Cr improve atomic binding force, reduce atomic diffusion rate, and form solid solution strengthening effect.523. Function of