耐热钢和耐热合金综述

1、第6章耐热钢和耐热合金耐然钢：在高温下工作并具有一定强度和抗氧化、耐腐蚀能力的铁基合金。耐热合金：在更高温度下工作的银基、钻基、铝基、铜基、留基等合金（或称为高温合金）O本章着重介绍耐热钢的种类、成分、组织及性能特点，并简要介绍银基合金.第1节耐热金属材料的工作条件及性能特点一、耐热金属材料的工作条件和性能要求工作条件：高温、高应力以及高温氧化性或腐蚀性介质中工作。如：石油化工设备的高温工艺管线、反应塔和加热炉、火力发电设备的汽轮机和锅炉、汽车和船舶的内燃机、航天航空工业的喷气发动机和火箭发动机等都是高温装置。失效弊至才：蠕变、热疲劳和热腐蚀等。优良的高温化学稳定性和高温力学性能，此外还应考虑

2、高温下的有关物理性能（如热传导性、热膨胀性等）及良好的加工工艺性能等。二、耐热钢的抗氧化性在高温下的化学稳定性，依照其用途不同有不同要求：例如 在氧化性环境中不氧化不脱碳； 在渗碳性气氛中不渗碳； 在含有钢、钠、硫的燃烧气体中不发生强烈腐蚀等。但其在高温下的化学稳定性最基本且最重要的是抗氧化性抗氧化并不是说在高温下完全不被氧化，而通常指在高温下迅速被氧化后在表面形成一层连续、致密、牢固附着的氧化薄膜，保护材料不再继续被氧化评定材料抗氧化性方法-重量法：用单位时间、单位面积上氧化后重量增加或减少的数值来表示。又分成重法和增重法。减重法常用于碳钢、低合金钢或氧化物容易剥削的材料，增重法常用于冷却后

3、氧化物仍紧密附着在金属表面上的材料。1 .普通钢的高温氧化普通碳钢温度高于t7时其表面就牙麴氧化，随温度升高氧化速度增大。温度超过570次化特别强烈.因：570匕以下氧化层为Fej。（+尸W03,结构复杂且较致密，氧化较慢；570。以上外表至内层依次形成尸62。3、Fe3O4、FeO氧化物。其厚度比约为1:10:100,FeO中铁原子有空位，铁原子易通过而扩散，且结构疏松易破裂。因此,欲得到抗氧化钢，就要形成具有致密晶格、连续、牢固附着的氧化物於。钢的抗氧化能.福力尸卜 t J/还采用渗金属方法，如渗铝、渗修或渗硅等以提高2 .提高钢抗氧化性的途径?Z4,主要采取合金化的方法.一般加Cr、Al

4、、Si,它们与O亲和力比Fe大，选择性氧化形成结构致密、稳定、与基体结合牢固的O2O3、A12O3,SiO?氧化膜。抑制或避免疏松FeO生成和长大，起保护作用，使钢不发生继续氧化。格:提高钢抗氧化性的主要元素。在600-650C05%、800-CCH2%、950-C020%、UOOC028%才满足抗氧化性。Al、Si:也是提高抗氧化性有效元素，但增加钢的脆性，因此很少单独加入，常常和Cr一起加入。Ni、Mn：,对钢的抗氧化性能影响较弱.C、N：固溶时对钢的抗氧化性影响不大；形成化合物时防碍钢表面氧化膜连续性，因而I钢的抗氧化性。7Tlm丁!嘿端岑Mo.V：生成氧化物熔点较低，使抗氧化性变坏。稀

5、土元素:T钢的抗氧化性。，主要是由于稀土元素可消除高温下晶界优先氧化现象。三、耐热金属材料的热强性（高温强度）高温下金属抗拉强度、屈服强度显著1，且随温度和载荷劝斫而逐渐1。高温卜金属断裂形式也发生变化。低温穿晶断裂（韧性断裂）一高温的晶间断裂（脆性断裂）o原因:金属强度是由晶粒和晶界强度组成的。温度3晶内、晶界强度都I，但晶界缺陷多，原子扩散较晶内快，强度比晶内快。晶内强度和晶界强度相等的温度称争覆定温度。加载速度1,扩散时间保证，等强温度1。热强性是指耐热钢在高温和载荷作用下，抵抗塑性变形和破坏的能力，包括材料在高温下瞬时性能和长时性能，不能用室温下的。0.2和。b作设计依据。瞬时性能是指

6、在高温条件下进行常规力学性能试验所测得的性能指标，如高温拉伸、高温强度和高温冲击等，只能作为选材的一个参考指标。长时性能是指材料在高温及载荷共同长时间作用下所测得的性能指标，包括蠕变极限、持久强度、应力松弛、高温疲劳强度和冷、热疲劳等（详见材料力学性能），是评定高温材料必须的性能指标.2.混高钢的热强性途径主要三个途径：基体强化、第二相沉淀强化、晶界强化。基林去化T提高基体金属原子间结合力，1固溶体扩散。熔点高、自扩散系数小，T再结晶温度的合金元素固溶于基体。A基体比F基体热强性高因A点阵排列较F致密，扩散不易进行，使回复和再结晶、第二相聚集速度减慢。第二相过淀转化稳定、不易聚集长大的第2相强

7、化，耐热钢多用格分会次镑作强化相，为获得更高热强性，可用热稳定性更高的金属同北合物作基体的强化相。q赛奈化适当期的喝发以1晶界数量（高温下晶界强度较低）。进一步强化晶界;强化晶界：s、P等易在晶界偏聚并形成低熔点共晶1晶界强度。加入B、RE等与之形成高熔点稳定化合物净在谒井强先.填充晶界空位：晶界上空位利于扩散和蠕变裂纹扩展。加入适当元素如硼，无论处于置换还是间隙状态，都能稳定地填充晶界空位强化晶界。晶界沉淀强化：在晶界上沉淀析出不连续骨架状强化相（如M7c3、M23c6等）,1裂纹沿晶扩展。还可用形变热处理方法改变晶界形状呈锯齿状晶界和在晶内造成多边化的亚晶界进一步提高钢的热强性。四、耐热钢

8、及耐热合金的分类a此为基的而寸热制不。耐热钢M耐热钢F抗氧化钢7-所为基的耐热领难熔金属耐热合金A/o基7Z基Nb基锲基耐热合金：以。20M80合金为基础发展起来的，类似的还有钻基合金金属陶瓷第2节抗氧化钢主要用于制作在高温长期工作且承受载荷不大的构件。如工业加热炉中的构件、炉底板、料架、马弗罐、辐射管等。包括F和A两类.一、铁素体型抗氧化用钢：在F不锈钢基础上进一步加适量Si、Al.按抗氧化性或使用温度可分：Crl3型：如Crl3Si3、Crl3SiAl等，可在80085(TC抗氧化不起皮；Crl8型：如Crl8Si2、Crl7A14Si等，可在1000C左右使用；025型：如Cr24Al2

9、Si、Cr25Si2等，可在1050J100P使用。这类钢为单一F组织，没有相变,所以晶粒较粗大，韧性低。在使用中应特别注意不宜承受载荷，但抗氧化性能特别好。二、奥氏体型抗氧化钢在A不锈钢基础上发展起来的，比F钢有更好的热强性和加工工艺性能，高温下可承受一定载荷。辂集A钢是很理想的抗氧化钢，但消耗大量辂媒，目箭广泛使用无辂媒及节镁的铁-铝-钱和辂-锈-氮钢。铁铝镒系：无格镁，如6Ml118Al5Si2Ti,常在铸态下使用。V950P有较好抗氧化性，也能承受一定载荷，成本低。但组织中有少量F,有一定脆性。因此其承载能力、最高使用温度范围、使用寿命均低于辂镒氮系钢。辂铉氮系：有时为得单一A,还加有

10、一定Ni(Cr20Mli9Ni2Si2N),其抗氧化、承载能力及加工工艺性能均很好，这类钢除在铸态下使用外，还可以制作锻件,也可用于做连续加热炉的传送带。第3节珠光体及马氏体耐热钢一、珠光体耐热钢在正火状态下，显微组织主要是P+F。广泛用于60(TC以下工作的石油化工及动力工业的设备。按C含量高低可分为：低碳和中碳P耐热钢。L低JC珠光体时热钢(锅炉管子用钢)工作条件及性皓要求主要用于制作锅炉管线，管内是高压蒸汽、外壁与火焰及烟气接触，要求：足够的高温强度和持久塑性；足够的抗氧化及耐腐蚀性；足够的组织稳定性；良好的冷、热加工工艺性能，例如轧制、穿管、冷拔、弯管以及焊接等。化孝戊.C：0.08匚

11、0.2%范围内。低碳不仅使钢管抗氧化性好，且使碳化物数量减少不易聚集长大，不易产生石墨化、球化，T冷热加工性能。为进一步T抗氧化、组织稳定、热强性还常加Cr、Mo、W、V、Ti、Nb等如16Mo、12CrMo、15CrMoV、12Cr2MoWSiVTiB等。姐德走性（黄用中出现依主妻河匙其基体组织为F+P,使用过程中组织将发生一系列变化而导致构件失效。主要问题有如下三方面： 珠光体球化及碳化物聚集长大所有P耐热钢长期高温下工作都发生层片状P球化和片状渗碳体聚集长大.P球化引起钢抗蠕变能力和持久强度明显I,完全球化后持久强度I1/3左右。碳钢最易球化，含C量越高球化速度越快，CrM。、V等可明显

12、I渗碳体球化和聚集长大，Mn明显促进球化。 石墨化石/先是锅炉管子用钢组织变化中最危险的组织。石墨化是渗碳体分解造成的：Fc3Cf3Fe+C（石）,显著J钢蠕变极限、持久强度、塑性、物性，造成锅炉管应力集中和发生脆性断裂。铝、铝、硅、镖促进石墨化，0.3%-05%Cr可有效防止石墨化，强碳化物形成元素可抑制石墨化。 合金元素在固溶体和碳化物相中的扩散和再分配16Mq、15CrMo等高温（500P或更高）下工作，固溶体中Mo逐渐碳化物中Mo逐渐T,强化固溶体的M。1,钢热强度I。随温度、时间T,此现象T为J合金元素重新分配，P耐热钢合金化方向是：复合合金化，即同时加Cr、Mo、W等，T基体原子结

13、合力，1扩散；加Ti、V、Nb等强碳化物形成元素，形成稳定碳化物相。一方面J钢中渗碳体型碳化物；另一方面TIC、NbC、VC中很少溶进W、Mo,有效地1固溶强化元素Mo、W等向碳化物相中过渡。KZ#司离“必处。这类钢热处理工艺为：正火十高温回火。正火:加热温度比通常的Ac3+50C高10015（TC。由于含有一定量辂、鸦、铝、锐等,因此空冷后组织依据合金元速种类、含量及构件尺寸不同，可分别获得B、低1时Al、Ti与Ni生成稳定的强化相Ni3(A12Ti),Al/TiVl时出现(Ni3Ti),热强性1。随使用温度T,铝、钛总量需增加，且比也要升高。但铝、钛含量不能太高，太高将使锻造性能变坏。 Nb:形成很好沉淀强化效果的Ni3(Al,Ti,Nb)相。 W、Mo、Cr、Co：除固溶强化基体外，Co可T基体对Al、Ti、Nb溶解度，TNi3(Al,Ti,Nb)析出量，Cr更重要作用是抗氧化。 B、Ce、Zr：强化晶界。 杂质(特别是低熔点金属Pb、Sb、Sn):强烈I晶界强度，严格控制。 常用镁基合金以fee点阵结构为基体，沉