第6章耐熱鋼素材.ppt

1、金屬材料學(xué)Metal Material Science,專業(yè)：金屬材料工程（本） 教師：杜大明 電話,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,第6章 耐熱鋼,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,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（或稱高溫不起皮鋼）兩大類。,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,發(fā)動(dòng)機(jī)的

2、熱效率都隨介質(zhì)工作溫度的提高而提高。30多年來，大型噴氣式飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)推力提高了5倍多，而發(fā)動(dòng)機(jī)的重量只增加12倍，這主要靠高溫合金的采用。,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,第一節(jié) 基本概念,一、金屬的抗氧化性,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,1.氧化膜與氧化規(guī)律 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Fe3O4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

3、大地加速，遵守 拋物線規(guī)律,形 成 規(guī) 律,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,耐熱鋼和耐熱合金的抗氧化和氣體腐蝕能力可分為5級(jí)： 腐蝕速率0.1mm/a，為完全抗氧化； 0.11.0mm/a，為抗氧化； 1.03.0mm/a，為次抗氧化； 3.010.0mm/a，為弱抗氧化； 10.0mm/a，為不抗氧化。,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,2、提高鋼抗氧化性的途徑 (1)加入合金元素，提高鋼氧化膜穩(wěn)定性,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,（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等致密、穩(wěn)定。,金屬材料學(xué)-第

4、6章 耐熱鋼,1、鋼的熱強(qiáng)性能指標(biāo) （1）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。,二、鋼的熱強(qiáng)性,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,（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。,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。,（3）高溫疲勞強(qiáng)度,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,（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)間延長而自行降低應(yīng)力的現(xiàn)象。,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,2、提高熱

5、強(qiáng)性的途徑 （1）強(qiáng)化基體,基體金屬熔點(diǎn)：T熔，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,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,（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。,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,（3）彌散強(qiáng)化,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

6、性。,珠光體熱強(qiáng)鋼的蠕變強(qiáng)度,（4）熱處理,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,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。,三、耐熱鋼的合金化,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,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聚集長大。一般在23%Si。 用于滲碳罐，抗?jié)B性好。,金屬材料學(xué)

7、-第6章 耐熱鋼,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 大 盡可能C。,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,珠光體熱強(qiáng)鋼的合金元素含量較少（總量不超過5%），使用狀態(tài)的顯微組織由珠光體和鐵素體組成，工作最高溫度可達(dá)600。 按用途主要有鍋爐鋼管、緊固件和轉(zhuǎn)子用鋼等幾大類。,第二節(jié) 熱強(qiáng)鋼,一、珠光體熱強(qiáng)鋼,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,1、鍋爐鋼管用珠光體熱強(qiáng)鋼 鍋爐蒸汽管道和過熱器處于長期的高溫和高壓，在高溫?zé)煔夂退羝拈L期作用下發(fā)生氧化與腐蝕。 要求抗氧化和耐蝕，組織穩(wěn)定,工藝性能好。,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,普遍 問題

8、,組織不穩(wěn)定，如片狀P球化、K長 大、G化， 強(qiáng)度，管子爆裂,合金 化,0.2%C 球化、K長大、G化 采用 Cr- Mo- V系,Mo、W 、Cr 固溶強(qiáng)化，K長大和 G化，Cr抗氧化性和耐蝕性；,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,V Ti,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,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,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,C Cr/ Mo/ V,常用鋼：35CrMoV、25Cr

9、2MoV鋼常用作中壓 氣輪機(jī)的螺栓和螺母材料，25Cr2Mo1V鋼 在高壓電廠中廣泛使用,2、緊固件用珠光體熱強(qiáng)鋼,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,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,3、轉(zhuǎn)子用鋼,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,汽輪機(jī)葉片工作溫度在450620范圍，和鍋爐管子工作溫度相近，但要求更高的蠕變強(qiáng)度、耐蝕性和耐腐蝕磨損性能。 低碳的Crl3型馬氏體不銹鋼雖有高的抗氧化性和耐蝕性，但組織穩(wěn)定性較差，只能做450 以下汽

10、輪機(jī)葉片。 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。,二、馬氏體熱強(qiáng)鋼,1、葉片用鋼,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,Crl2型馬氏體耐熱鋼是通過加入鉬、鎢、釩、鈮、氮、硼等元素來進(jìn)行綜合強(qiáng)化。 加入鎢、鉬后，可使Crl3型鋼中Cr23C6、Cr7C3兩種碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)楹辖鹛蓟?，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化。 釩、鈮、鈦等更強(qiáng)的碳化物形成元素在鋼中形成MC型復(fù)合碳化物，更為穩(wěn)定；并且使大多數(shù)鎢、鉬進(jìn)入固溶體，從而提高熱強(qiáng)性和使用溫度。 加入氮，能增加沉淀強(qiáng)化相數(shù)量，有利于加強(qiáng)沉淀強(qiáng)化效果。 常見鋼種有15Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等，工作溫度可在600左右。常用

11、于大功率火力發(fā)電機(jī)組。,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,主要強(qiáng)化相是M23C6型碳化物，固溶的鎢、鉬和釩而提高了穩(wěn)定性，高于650才開始顯著聚集長大。 由于合金元素含量高，因而有很高的淬透性。 鋼經(jīng)1000-1050淬火，650-750回火，得到回火屈氏體或回火索氏體組織，有很高的回火穩(wěn)定性。 適合制造500-580工作溫度的大型熱力發(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)子和渦輪葉片等。,15Cr12MoV,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,內(nèi)燃機(jī)排氣閥工作條件非?？量? 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42Cr9Si2、4Cr10Si2Mo，采

12、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熱強(qiáng)鋼。,2、氣閥鋼,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,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G3Cr24Ni7N鋼。,第三節(jié) 抗氧化性鋼,金屬材料學(xué)-第6章 耐熱鋼,本章小結(jié),溫度對(duì)鋼的使用來說有很大的影響，是關(guān)鍵因 素。在高溫條件下工作的零部件就其材料成分、 性能要求及失效機(jī)理和一般常溫下的零件相比， 有很大的不同。,鋼的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性是耐熱鋼設(shè)計(jì)與處 理工藝的主要矛盾。從合金化考慮，主要措施有 原子結(jié)合力、強(qiáng)化晶界、穩(wěn)定相的彌散強(qiáng)化。 不同合金的耐熱鋼有其適宜的使