金屬材料第六章-(2)培訓(xùn)資料

金屬材料第六章-(2)第六章耐熱鋼第一節(jié)鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定鋼一、鋼的熱穩(wěn)定性及其提高途徑鋼的熱穩(wěn)定性是指鋼在高溫下抗氧化或抗高溫介質(zhì)腐蝕的能力。鋼的抗氧化性高低一般用單位時(shí)間、單位面積上氧化后質(zhì)量增加或減少的數(shù)值表示，單位為g/m2。質(zhì)量增加常用于冷卻后氧化物仍然緊密附著在金屬表面上的材料，如高合金鋼的氧化。質(zhì)量減少常用于碳鋼、低合金鋼或氧化物容易剝落的材料。減小質(zhì)量或增加質(zhì)量的程度越小，鋼的穩(wěn)定性越高。提高鋼熱穩(wěn)定性的合金化原理含碳量：在0.1~0.2%左右，碳過高會(huì)形成Cr23C6等碳化物，妨礙鋼表面氧化膜的連續(xù)性主加元素：Cr,Ni,Mn，目的是形成單相組織，提高基體電極電位，形成鈍化膜，其中Cr是最主要的提高鋼抗氧化性的元素輔加元素：Al,Si等，形成Al2O3,SiO2等鈍化膜，但含量不能太高，否則會(huì)增加鋼的脆性第六章耐熱鋼第一節(jié)鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定鋼第六章耐熱鋼第一節(jié)鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定鋼二、主要鋼種1.鐵素體型熱穩(wěn)定性鋼在鐵素體不銹鋼基礎(chǔ)上加入Si,Al，進(jìn)一步提高鋼的抗氧化性鋼種：Cr13Si3,Cr18Si2,Cr25Si2,Cr13SiAl等特點(diǎn)：抗氧化性很好，但晶粒粗大，韌性低用途：低于800~1000C下工作的爐用構(gòu)件第六章耐熱鋼第一節(jié)鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定鋼二、主要鋼種2.奧氏體型熱穩(wěn)定性鋼（1）在奧氏體不銹鋼基礎(chǔ)上加入Si,Al，如Cr18Ni25Si2等特點(diǎn)：工藝性能好，抗氧化性好，熱強(qiáng)性好，但太貴了使用溫度達(dá)到1100C的爐用構(gòu)件、滲碳箱等（2）Fe-Al-Mn型（無鉻鎳抗氧化鋼），如6Mn18Al5Si2Ti特點(diǎn)：便宜，但抗氧化能力較差使用溫度達(dá)到950C的爐用構(gòu)件（3）Cr-Mn-N型，如Cr20Mn9Ni2Si2N特點(diǎn)：工藝性能好，抗氧化性好，承載能力均較好使用溫度850~1050C的爐用構(gòu)件第六章耐熱鋼熱強(qiáng)性：鋼在高溫和載荷共同作用下抵抗塑性變形和

破壞的能力。一、高溫下金屬材料的力學(xué)性能熱強(qiáng)性包括材料高溫條件下的瞬時(shí)性能和長時(shí)性能。瞬時(shí)性能：加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間（使試樣熱透）后的力學(xué)性能。如高溫拉伸、高溫沖擊和高溫硬度等。長時(shí)性能：材料在高溫及載荷共同長時(shí)間作用下所測得的性能。常見的性能指標(biāo)有蠕變極限、持久強(qiáng)度、應(yīng)力松弛、高溫疲勞強(qiáng)度和冷熱疲勞。第二節(jié)金屬的熱強(qiáng)性1.蠕變：材料在一定應(yīng)力作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象第六章耐熱鋼第二節(jié)金屬的熱強(qiáng)性一、高溫下金屬材料的力學(xué)性能2.蠕變?nèi)渥儥C(jī)制（2）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（3）晶界滑動(dòng)（4）擴(kuò)散形變（1）基體軟化第六章耐熱鋼第二節(jié)金屬的熱強(qiáng)性一、高溫下金屬材料的力學(xué)性能1.蠕變?nèi)渥儤O限：高溫及長期載荷作用下材料的塑性變形抗力指標(biāo)，有兩種表示方法：一定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率的應(yīng)力值一定溫度下，在規(guī)定的時(shí)間t內(nèi)使試樣產(chǎn)生一定蠕變伸長的應(yīng)力值2.持久強(qiáng)度在給定溫度下，恰好使材料經(jīng)過規(guī)定時(shí)間發(fā)生斷裂的應(yīng)力值第六章耐熱鋼第二節(jié)金屬的熱強(qiáng)性二、鋼熱強(qiáng)性的影響因素及其提高途徑1.影響耐熱鋼熱強(qiáng)性的因素影響耐熱鋼的軟化因素。隨著溫度的升高，鋼的原子間結(jié)合力降低，原子擴(kuò)散系數(shù)增大，從而導(dǎo)致鋼的組織由亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)定態(tài)過渡。形變斷裂方式的變化。低溫時(shí)滑移方式；高溫時(shí)滑移、擴(kuò)散形變及晶界的滑動(dòng)與遷移第六章耐熱鋼第二節(jié)金屬的熱強(qiáng)性2、鋼熱強(qiáng)性的提高途徑（1）阻礙基體軟化過程提高鋼的回復(fù)和再結(jié)晶溫度-Fe的再結(jié)晶溫度為450~600C，-Fe再結(jié)晶溫度為800C阻礙原子的擴(kuò)散選擇原子排列密集的結(jié)構(gòu)奧氏體鋼912C時(shí)，-Fe的自擴(kuò)散系數(shù)是-Fe的240倍Ni在-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)比在-Fe中高1400倍527C時(shí)，N在-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)比在-Fe中高1500倍加入自擴(kuò)散慢且又阻礙鐵原子擴(kuò)散的元素Mo,W,Co等阻礙刃位錯(cuò)的攀移（如何實(shí)現(xiàn)？）選擇奧氏體鋼加入降低奧氏體層錯(cuò)能的元素：Cr,Mo等第六章耐熱鋼第二節(jié)金屬的熱強(qiáng)性二、提高鋼熱強(qiáng)性的途徑（2）提高鋼材的高溫變形抗力增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力固溶強(qiáng)化：加入熔點(diǎn)高、擴(kuò)散激活能大的元素(Cr,W,Nb等)第二相強(qiáng)化：加入合金元素，形成高溫下穩(wěn)定的第二相粒子加入強(qiáng)碳化物形成元素：Cr,W,Mo,Nb,Ti等加入形成金屬間化合物的元素：Al,Ni,Ti等增加晶界滑動(dòng)阻力凈化晶界：S,P等在晶界偏聚使晶界弱化，應(yīng)盡量降低其含量（如何降低？）加入B、稀土等元素，形成高熔點(diǎn)穩(wěn)定化合物，作為晶核，使易熔雜質(zhì)從晶界轉(zhuǎn)入晶內(nèi)。填補(bǔ)晶界上的空位：主要是加入B元素可填充晶界空位，阻礙晶界原子擴(kuò)散晶界沉淀強(qiáng)化：如在晶界上形成Cr23C6釘扎晶界的運(yùn)動(dòng)減少晶界數(shù)量：晶粒度在2~4級(jí)比較好第六章耐熱鋼一、珠光體熱強(qiáng)鋼在650C以下有較好的熱強(qiáng)性，而且工藝性能好，價(jià)格便宜1.低碳珠光體耐熱鋼（鍋爐管子用鋼）碳含量：0.08~0.2wt%主加元素：Cr,Mo，主要起固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)阻礙擴(kuò)散過程輔加元素：V,Ti,B，形成穩(wěn)定的碳化物，強(qiáng)化晶界代表鋼種：12CrMoV使用溫度：不超過580C第三節(jié)熱強(qiáng)鋼2.中碳珠光體耐熱鋼（緊固件及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鋼）碳含量：0.2~0.4wt%代表鋼種：25Cr2MoVA,20Cr1Mo1VTiB3.珠光體型熱強(qiáng)鋼工作過程中產(chǎn)生的組織變化珠光體的球化和碳化物的聚集片狀碳化物轉(zhuǎn)變成球狀，分散細(xì)小的碳化物聚集成大顆粒的碳化物。鋼的石墨化在工作溫度和應(yīng)力長期作用下，鋼件會(huì)使碳化物分解成游離的石墨，自發(fā)進(jìn)行合金元素的再分布長期工作時(shí)，會(huì)發(fā)生合金元素的再分配，碳化物形成元素Cr、Mo向碳化物內(nèi)擴(kuò)散、富集，造成固溶體合金元素貧化，導(dǎo)致熱強(qiáng)性下降。熱脆性熱脆性與該溫度下某種新相的析出有關(guān)。防止熱脆性的措施：使鋼的長期工作溫度避開脆性區(qū)溫度；冶煉時(shí)盡量降低wN、wP;已發(fā)生熱脆性的鋼，可采用600～650℃高溫回火后快冷的方法消除。第六章耐熱鋼二、馬氏體熱強(qiáng)鋼燃汽輪機(jī)葉片用鋼：承受復(fù)雜應(yīng)力（離心力、彎矩、拉力等），承受高壓蒸汽沖刷，要求高的耐腐蝕性、熱強(qiáng)性、耐磨性和高的抗氧化性由Cr13型馬氏體不銹鋼發(fā)展起來輔加元素：Mo,W,V、B等代表鋼種：2Cr13,15Cr12WMoVA使用溫度：不超過620C第三節(jié)熱強(qiáng)鋼2.內(nèi)燃機(jī)排氣閥用鋼：使用溫度更高、腐蝕更嚴(yán)重碳含量：0.4wt%左右主要合金元素為Cr,Si,Mo等代表鋼種：4Cr9Si2,4Cr10Si2Mo使用溫度：不超過700C第六章耐熱鋼三、奧氏體熱強(qiáng)鋼第三節(jié)熱強(qiáng)鋼優(yōu)點(diǎn)：使用溫度高、可焊性好、塑韌性好、熱穩(wěn)定性好缺點(diǎn)：室溫屈服強(qiáng)度低、切削加工性能差、導(dǎo)熱性差、熱疲勞性能差珠光體、馬氏體類熱強(qiáng)鋼一般使用溫度再650℃以下，不適于更高溫度。原因是其基體為鐵素體，先天不足。奧氏體基鋼比鐵素體鋼具有更高的熱強(qiáng)性的原因：g-Fe晶格的原子間結(jié)合力比a-Fe晶格的原子間結(jié)合力大；g-Fe擴(kuò)散系數(shù)小；g-Fe的再結(jié)晶溫度高（a-Fe再結(jié)晶溫度為450～600℃，而g-Fe再結(jié)晶溫度大于800℃）。3.金屬間化合物強(qiáng)化熱強(qiáng)鋼（鐵基高溫合金）碳含量：0.08％合金中的強(qiáng)化相是金屬間化合物g’-Ni3(TiAl)、Ni3Ti，故wNi較高（25％～40％），同時(shí)含有Al、Ti、Mo、V、B等合金元素。為了使g’相具有較好的強(qiáng)化效果，需要進(jìn)行適當(dāng)熱處理。如GH132:980~1000℃兩小時(shí)固溶處理，700～760℃范圍內(nèi)16h時(shí)效處理，此時(shí)g’相便以極細(xì)小的顆粒分布，從而達(dá)到最好的強(qiáng)化效果