《高温金属结构材料》课件

高温金属结构材料高温金属结构材料是指在高温环境下依然能保持优异机械性能的金属材料。它们在航空航天、能源、化工等领域发挥着至关重要的作用。课程目标11.了解高温金属结构材料的定义和分类理解高温金属结构材料的概念和特点，并掌握不同类型高温合金的分类。22.学习高温合金的性能和应用掌握高温合金的强度、抗氧化、抗腐蚀性能等重要指标，并了解其在航空航天、能源等领域的应用。33.掌握高温合金的设计和制造工艺了解高温合金的设计原则，并熟悉其加工制造工艺，如熔炼、铸造、热处理等。44.培养高温合金研究和应用的能力为学生提供高温合金研究和应用的理论基础，并培养解决实际工程问题的综合能力。热力学基础热力学第一定律能量守恒定律在热力学体系中的应用，阐述了能量在不同形式之间的转化关系。热力学第二定律阐述了热力学体系中熵的变化规律，并定义了熵增原理，指明了热力学体系自发变化的方向。热力学第三定律阐明了当温度趋近于绝对零度时，体系的熵值趋近于一个常数，为热力学体系的最低能量状态。1.1热力学第一定律能量守恒热力学第一定律指出，能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。能量守恒定律应用在高温金属结构材料中，热力学第一定律帮助理解能量的转换和平衡，例如，热能转化为机械能或化学能。热能与机械能热能与机械能的相互转化影响着材料的性能，例如高温下的强度和稳定性。1.2热力学第二定律熵熵是衡量系统混乱程度的指标，它代表系统内部微观粒子的排列方式和混乱程度。能量热力学第二定律指出，能量从高能量区域流向低能量区域，导致熵增加。不可逆过程在不可逆过程中，系统熵总是增加，无法完全恢复到初始状态。1.3相图和相变相图相图用于描述不同温度和压力下金属的相组成和变化。它可以帮助我们理解金属材料的结构和性能随温度的变化。相变金属在固态和液态之间或不同固态结构之间发生转变的过程称为相变。相变会影响金属的强度、塑性、硬度等性能。高温合金概述定义和特点高温合金是指在高温下仍能保持较高强度和塑性的金属材料，通常指工作温度在500℃以上。应用领域应用于航空发动机、燃气轮机、核电站、火箭发动机等。主要元素高温合金通常由镍、钴、铁、铬、铝、钛等元素组成。耐高温腐蚀高温合金具有良好的耐高温氧化和抗腐蚀性能，可有效抵抗高温环境下的氧化和腐蚀。2.1高温合金的定义和特点定义高温合金是指在高温下（一般指500℃以上）仍能保持一定强度和塑性的合金材料。特点高温合金具有优异的高温强度、抗氧化性和抗腐蚀性。应用广泛应用于航空发动机、燃气轮机、核反应堆等高温环境。2.2高温合金的分类11.镍基高温合金镍基高温合金是应用最广泛的一类高温合金，具有优异的高温强度、抗氧化和抗腐蚀性能，主要用于航空发动机、燃气轮机等高温部件。22.钴基高温合金钴基高温合金以钴为基体，具有较高的熔点和良好的抗氧化性能，主要用于高温部件和耐磨材料。33.铁基高温合金铁基高温合金以铁为基体，具有成本低、强度高、耐腐蚀等优点，主要用于电力、石油化工等领域。44.其他高温合金包括铝基、钛基、钼基、钨基等高温合金，各有优缺点，应用领域也各不相同。3.镍基高温合金显微组织镍基高温合金的显微组织通常包括γ固溶体、γ’相和碳化物相。γ固溶体是镍的基体，具有良好的塑性和韧性。γ’相是Ni3Al或Ni3(Al，Ti)等金属间化合物，可以提高合金的强度和抗蠕变性能。碳化物相则可以提高合金的抗氧化性能。应用镍基高温合金广泛应用于航空发动机、燃气轮机、核电站等领域。例如，用于制造航空发动机涡轮叶片、燃气轮机燃烧室、核反应堆堆芯组件等高温部件。3.1镍基高温合金的组织结构γ相镍基高温合金的主要相，具有面心立方结构。该相的形成与合金中镍的含量密切相关，镍含量越高，γ相越多。γ相具有良好的塑性和韧性，在高温下能够保持良好的强度和抗氧化性能。γ'相一种强化相，通常是Ni3Al型，具有立方结构。γ'相在合金中呈弥散分布，可以有效地提高合金的强度和硬度。γ'相的体积分数和尺寸对合金的性能有很大影响。体积分数越高，合金的强度越高；尺寸越小，合金的硬度越高。3.2镍基高温合金的强化机理固溶强化添加合金元素，改变晶格常数，提高合金的强度和硬度。弥散强化在合金基体中加入弥散相，阻碍位错运动，提高强度和抗蠕变性能。析出强化在合金基体中析出第二相，提高合金的强度和硬度。晶界强化通过控制晶粒尺寸和晶界结构，提高合金的强度和抗蠕变性能。3.3镍基高温合金的典型牌号Inconel718Inconel718是一种广泛使用的镍基高温合金，具有优异的耐高温性和耐腐蚀性。它在航空航天、能源和化工等领域得到广泛应用。WaspaloyWaspaloy是一种高强度镍基高温合金，在高温下具有良好的抗氧化性和抗蠕变性能。它通常用于航空发动机涡轮叶片、燃气轮机部件和航空航天应用。René41René41是一种高强度镍基高温合金，具有优异的抗氧化性和耐腐蚀性。它通常用于航空发动机涡轮叶片、燃气轮机部件和航天器部件。HastelloyXHastelloyX是一种高耐腐蚀镍基高温合金，具有良好的抗氧化性和抗还原性能。它通常用于化学处理设备、燃气轮机部件和高温管道。4.钴基高温合金化学成分钴基高温合金以钴为主要元素，包含镍、铬、钨、钼、碳等元素，并添加少量稀土元素结构特点钴基高温合金以γ相固溶体为主，并添加少量碳化物和硼化物相，以增强其高温强度和抗氧化性典型牌号常见牌号包括Haynes25、X-40、HS-31、Stellite6B等，广泛应用于航空发动机、燃气轮机、石油化工等行业4.1钴基高温合金的组织结构1固溶体钴基高温合金通常以钴为基体，形成固溶体。2强化相合金中加入碳化物、硼化物等强化相，提高其强度和硬度。3晶界相合金中存在晶界相，影响其蠕变性能和高温稳定性。4.2钴基高温合金的强化机理固溶强化通过添加合金元素，改变基体合金的晶格结构，提高合金的强度和硬度。弥散强化在基体合金中加入难熔金属化合物，形成弥散相，阻碍位错运动，提高合金的强度。晶界强化通过控制晶界尺寸和分布，提高晶界强度，增强合金的抗蠕变性能。沉淀强化在合金中加入特定的合金元素，使其在高温下析出第二相，提高合金的强度。4.3钴基高温合金的典型牌号Haynes188Haynes188是一种高性能钴基高温合金，具有优异的抗氧化性和抗腐蚀性。其主要应用于航空发动机叶片和涡轮盘等高温部件。Stellite6BStellite6B是另一种常用的钴基高温合金，以其高硬度和耐磨性而闻名。它通常用于制造工具和模具，以及耐磨部件。L605L605是一款具有优异耐高温性能的钴基高温合金，广泛用于石油化工行业，例如用于制造反应器和管道。5.铁基高温合金组织结构铁基高温合金通常由铁、镍、铬和铝等元素组成。它们具有复杂的组织结构，包括铁素体、奥氏体、碳化物等相。强化机理铁基高温合金主要通过固溶强化、析出强化和弥散强化等机制来提高高温强度。典型牌号常见的铁基高温合金牌号包括GH3030、GH3536、GH4169等，它们广泛应用于航空航天、电力、化工等领域。5.1铁基高温合金的组织结构铁素体铁素体是铁基高温合金中最常见的相，具有较好的抗氧化性和抗腐蚀性。奥氏体奥氏体具有较高的强度和韧性，但抗氧化性和抗腐蚀性较差。碳化物碳化物是铁基高温合金的重要强化相，可以提高合金的强度和硬度。其他相除了铁素体、奥氏体和碳化物外，铁基高温合金中还可能存在其他相，例如σ相和χ相。5.2铁基高温合金的强化机理固溶强化在铁基高温合金中加入合金元素，例如铬、镍、钼等，可以形成固溶体，提高合金的强度和硬度。弥散强化在合金基体中加入微细的第二相粒子，例如碳化物、氮化物等，可以阻碍位错的运动，提高合金的强度。析出强化通过热处理工艺，在合金基体中析出第二相粒子，例如γ'相，可以提高合金的强度和抗蠕变性能。晶粒细化通过控制合金的凝固过程或热处理工艺，可以获得细小的晶粒结构，从而提高合金的强度和韧性。5.3铁基高温合金的典型牌号低合金钢例如，1Cr18Ni9Ti、12CrMoV等。铁素体钢例如，T91、T22、T23等。奥氏体钢例如，304、316、310等。双相钢例如，2205、2507等。6.其他高温合金铼合金铼合金拥有出色的高温强度和抗氧化性，广泛应用于航空航天发动机。钼合金钼合金具有高熔点和良好的抗腐蚀性，适用于高温环境下的结构部件。钽合金钽合金抗腐蚀性极强，可用于化学反应器和高温熔融金属容器。6.1铝基高温合金轻量化铝的密度低，约为钢的三分之一。耐高温铝基高温合金具有良好的高温强度和抗氧化性能。应用领域广泛应用于航空航天、汽车等领域。6.2钛基高温合金11.优异的耐热性和耐腐蚀性钛基高温合金具有高强度和良好的抗氧化性能，在高温环境下表现出优异的耐腐蚀性。22.轻质合金钛基高温合金的密度较低，使其成为航空航天等领域中轻量化结构材料的理想选择。33.应用于高温发动机部件钛基高温合金被广泛应用于航空发动机叶片、涡轮盘等高温部件，在提高发动机性能方面发挥着重要作用。7.高温合金的性能评价高温强度高温强度是指合金在高温下抵抗变形的能力。高温强度是衡量高温合金使用性能的重要指标之一。抗氧化和抗腐蚀性能高温合金在高温下需要抵抗氧化和腐蚀。抗氧化性能和抗腐蚀性能是高温合金的关键指标。7.1高温强度高温强度定义高温强度是指材料在高温环境下抵抗变形和断裂的能力，主要受材料的屈服强度、抗拉强度和蠕变强度等指标影响。影响因素高温强度主要受材料的成分、组织结构和温度影响。不同的合金元素会影响材料的固溶强化、析出强化等效应，从而影响高温强度。7.2抗氧化和抗腐蚀性能11.抗氧化性高温合金在高温环境中会发生氧化，形成氧化膜。氧化膜的致密性和稳定性决定了合金的抗氧化性能。22.抗腐蚀性能高温合金在腐蚀性介质中会发生腐蚀，降低其使用寿命。抗腐蚀性是指合金抵抗腐蚀的能力。33.影响因素高温合金的抗氧化和抗腐蚀性能受材料成分、微观结构、环境温度、气氛成分等因素的影响。44.改善方法可以通过合金化、表面处理等方法来改善高温合金的抗氧化和抗腐蚀性能。高温合金的应用领域航空航天高温合金广泛用于制造飞机发动机、涡轮叶片等关键部件，满足高温、高压、