1、第6章耐熱鋼heat resistant steel2022/9/22 蒸汽鍋爐、蒸汽渦輪，航空工業的噴氣發動機，以及航天、艦船、石油和化工等工業部門的許多工作部件在高溫下工作。因為是在高溫下服役，所以這些零部件技術要求比較苛刻。通常把在高溫條件工作的鋼稱為耐熱鋼。 耐熱鋼應具有兩方面的基本性能，一是有良好的高溫強度和塑性，二是有足夠高的高溫穩定性。根據不同服役條件，常常將耐熱鋼分為熱強鋼和熱穩定性鋼兩大類。本章內容6.1 概述 6.2 熱強鋼 6.3 抗氧化鋼2022/9/22鍋爐管6.1概述6.1.1金屬的抗氧化性一、氧化膜與氧化規律 鐵氧化物類型有FeO、Fe2O3、Fe3O4三種。 2

2、022/9/22FeFeOFe3O4Fe2O3O2圖6-1 570 以上Fe氧化膜示意圖2022/9/22 570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大地加速，遵守拋物線規律.形成規律FeO：結構疏松，冷卻分解應力，結合力弱，易剝落；Fe2O3、Fe3O4：結構致密，和基體結合好。氧化速度與時間關系：1）直線關系Mg、Na、Ca等氧化膜，不完整、不連續。2）拋物線關系:離子擴散Fe、Co、Ni、Cu、Mn3）對數規律Cr、Al、Si2022/9/22圖6-2氧化增量和時間的關系二

3、、提高鋼抗氧化性的途徑 1、提高鋼氧化膜穩定性 2022/9/22 FeO的形成溫度; FeO的形成溫度 , 又優先形成穩定氧化物 Cr、Al、 Si。途徑例子 如：1.03Cr，FeO形成溫度為600； 1.14Si ，FeO形成溫度為 750； Cr、Al量高時，鋼的表面可生成致密的Cr2O3或Al2O3保護膜。2022/9/222、形成致密、穩定的氧化膜 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、穩定。2022/9/22圖6-3 合金元素對鋼抗氧化性的影響滲鋁，滲Cr或者在金屬表面涂覆保護性的薄膜也是常用的

4、方法6.1.2鋼的熱強性金屬在高溫下長時間承受載荷時，工件在遠低于抗拉強度的應力下會產生破裂，工件在遠低于屈服應力的情況下會連續或緩慢地發生塑性變形。金屬室溫力學性能與高溫力學性能的主要差別在于：高溫下金屬的力學性能還要受到溫度和時間的影響。2022/9/22圖6-4 40 號鋼強度對溫度和時間變化1.蠕變及蠕變極限2022/9/22蠕變工作溫度大于再結晶溫度，工作應力高于彈性極限時，金屬在一定溫度和靜載和長時間作用下，發生緩慢的塑性變形現象。不同材料在不同條件下得到的蠕變曲線不同，同一材料的蠕變曲線也隨著應力和溫度而不同。 一、鋼的熱強性能指標(略)2022/9/22 蠕變極限是試樣在一定溫

5、度下和在規定的持續時間內，產生的蠕變變形量（總的或殘余的）或蠕變速率等于某規定值時的最大應力。 例如： , 表示在700時，持續時間為 10000 h，產生蠕變總變形量為1%的蠕變極限。2、持久強度 持久強度極限是試樣在一定溫度和規定的持續時間內引起斷裂的最大應力值， 如： =300MPa，表示在700時，持續時間為100 h的持久強度極限值為300 MPa。3、高溫疲勞強度 在高溫疲勞時只有條件疲勞極限，即把在某一規定的循環次數（一般采用107108次）下而不斷裂時的最大應力作為疲勞極限。2022/9/224、應力松弛 應力松弛現象是在具有恒定總變形的零件中，隨時間延長而自行降低應力的現象。

6、2022/9/22蒸汽管道螺栓需要經常擰緊 經過一段時間后，彈性變形變成了塑性變形,從而使應力不斷降低 ? ?原子易發生擴散 二、提高熱強性的途徑16 1.強化基體： 2022/9/22基體金屬熔點：T熔，金屬原子間結合力。 鐵、鎳、鉬基等依次合金晶格類型：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合力：合金化固溶體原子間結合 力，Mo、Cr、Mn、Si作用較大2022/9/22圖6-5常見合金元素對工業純鐵蠕變極限的影響1Mo使蠕變極限提高3倍。Cr、Mn、Si也提高蠕變極限。2.強化晶界 高溫晶界強度低，適當降低晶粒度，減少晶界數量是常用的方法，另外，

7、還可以采用a.凈化晶界；b.填充晶界空位；c.晶界沉淀強化等手段強化晶界。2022/9/22凈化晶界：雜質易偏聚在晶界，形成易熔夾雜物 晶界強度。RE、B優先結合雜質，形成 高熔點化合物；異質晶核從晶界轉入晶內。填充空位：晶界上空位多，原子易快速擴散。B 易偏聚晶界，晶界空位。3.析出強化（沉淀強化）耐熱鋼大多用高熔點碳化物作強化相，如MC，M23C6，M6C，更高溫度則用金屬間化合物作強化相，如Ni3（Al、Ti），Ni3Ti，Ni3Al等在鉬鋼和釩鋼中加入Nb和Ta使沉淀強化相Mo2C、V4C3成分復雜化，穩定性更好，高溫強度好。加入彌散化合物、氧化物、硼化物和氮化物等使用溫度提高到0.8

8、0.85Tm。2022/9/22 彌散質點，位錯運動，強度 有效性和程度的關鍵是質點的性質、大小、分布、穩定性。 4.熱處理12Cr1MoVG珠光體耐熱鋼的蠕變強度與微觀組織密切相關。爐冷得到鐵素體珠光體；空冷得到粒狀貝氏體鐵素體馬氏體；淬火馬氏體組織。高溫回火后馬氏體的持久強度最高，其次貝氏體，鐵素體加珠光體最差。2022/9/22熱處理珠光體熱強鋼的蠕變強度6.1.3耐熱鋼的合金化2022/9/22Cr：鋼抗氧化性主要元素。形成致密而穩定的 Cr2O3。T，Cr。如600650，需要 5%Cr ；800時，為12%Cr。固溶強化Mo、W：低合金熱強性重要元素。固溶強化， 析出穩定相。202

9、2/9/22Al：抗氧化性的有效元素。 在1000時， 6%Al18%Cr水平。冶金工 藝性，使鋼變脆。 不能單獨加入，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，抗滲性好。2022/9/22 Ni：獲得奧氏體組織 Ti、Nb、V：形成穩定K，鋼松弛穩定性， 熱強性 C：較低溫度時強化鋼，G化，K聚集長 大 盡可能C。本章內容 6.1 基本概念6.2 熱強鋼 6.3 抗氧化鋼2022/9/22 6.2熱強鋼refractory steel 6.2.1珠光體熱強鋼珠光體耐熱鋼是指在正火

10、狀態下，顯微組織主要是珠光體鐵素體的一類耐熱鋼。高的高溫強度和良好的持久塑性，足夠的抗氧化性和耐腐蝕性，組織穩定性好，良好的工藝性能。2022/9/22按用途主要有鍋爐鋼管、緊固件和轉子用鋼等幾大類。6.2.1.1低碳珠光體耐熱鋼（鍋爐管子用鋼）2022/9/22普遍問題 組織不穩定，如片狀P球化、K長大、G化， 強度，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 固溶強化，K長大和G化，Cr抗氧化性和耐蝕性；2022/9/22VTi直接作用間接作用形成穩定MC型K，彌散強化，熱強度使更多Mo、W 、Cr固溶，熱強度 典型鋼號12Cr1MoVG是

11、用量較大的鋼管材料，15CrMoG、12CrMoVG等.為什么低合金熱強鋼都用Cr、Mo、V合金化 2022/9/22圖6-6未球化，珠光體中碳化物略呈片狀 圖6-7輕度球化，珠光體區域中碳化物開始分散，并開始向晶界擴散，珠光體形態尚明顯。 圖6-8中度球化，珠光體區域中的碳化物已明顯分散，并已向晶界聚集，珠光體尚保留其形態 圖6-9完全球化，珠光體已基本消失，球狀碳化物分布在晶界及鐵素體基體上，分散度大 2022/9/22圖6-11 1級石墨化，現象不明顯，游離碳占20%左右。b降低不明顯，ak7%圖6-12 2級明顯石墨化，游離碳占40%左右。2-3級時b降低8-10%，ak4-7% 圖6

12、-10 原始組織6.2.1.2中碳珠光體耐熱鋼（緊固件用鋼）2022/9/22緊固件處于初緊預應力狀態工作高的屈服強度、松弛穩定性，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 氣輪機的螺栓和螺母材料，25Cr2Mo1V鋼 在高壓電廠中廣泛使用6.2.1.3轉子用鋼（中碳珠光體耐熱鋼（Cr高） ）2022/9/22轉子主軸、葉輪或整鍛轉子過熱蒸汽，復雜應力（扭/彎/熱等） 熱強性，沿軸向、徑向均勻一致的綜合力學性能淬透性。常用鋼：汽輪機葉輪常用中碳珠光體熱強鋼 制造。如35Cr2MoV、33Cr3WMoV鋼。6.2.2 馬氏體耐熱鋼一、葉片

13、用鋼（低碳） 在Crl3型馬氏體不銹鋼的基礎上進一步合金化發展了Crl2型馬氏體耐熱鋼。 15Cr12WMoV、22Cr12NiMoWV等，工作溫度可在600左右。 常用于大功率火力發電機組。 2022/9/22 二、內燃機排氣閥鋼（中碳）2022/9/22內燃機排氣閥工作條件非常苛刻: 常在700750工作，受到燃氣的高溫腐蝕、氧化腐蝕和沖刷腐蝕磨損，熱疲勞。 常用鋼號有42Cr9Si2、40Cr10Si2Mo，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鋼 6.2.3 奧氏體型高溫合金珠光體及馬氏體耐熱鋼均為-Fe基

14、，在使用溫度超過750以上，化學穩定性和熱穩定性都不足以保證良好的使用性能，這時必須采用-Fe基奧氏體耐熱鋼或耐熱合金-Fe基奧氏體耐熱鋼比-Fe基耐熱鋼具有更高的熱強性，原因在于： 1）-Fe晶型的原子間結合力比-Fe大； 2） -Fe中Fe及其他元素原子的擴散系數小，再結晶溫度高，其再結晶溫度可以達到800以上，而-Fe再結晶溫度為450600 。2022/9/222022/9/22鐵基合金又分為：1.固溶強化型GH1015(06Cr21Ni37Mo3W6Nb ) :2.碳化物時效強化型GH2036(35Cr13Ni8Mo1Mn9NbTi):國外： 45Cr25Ni20（HK40日） 50

15、Cr25Ni35（HP日） 50Cr25Ni33NbW 。3.金屬間化合物強化型GH2130 (022Cr15Ni36W2Ti3B):GH高溫，第一個數字1：固溶強化型，第一個數字2：沉淀強化型6.3 抗氧化鋼 抗氧化鋼用于工業爐的構件、爐底板、爐罐等。 F型是在F型不銹鋼基礎上發展形成。 A型抗氧化鋼是在A不銹鋼基礎上發展起來的。 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26Cr18Mn12Si2N和 22Cr20Mn10Ni2Si2N鋼。2022

16、/9/222022/9/22 溫度對鋼的使用來說有很大的影響，是關鍵因素。在高溫條件下工作的零部件就其材料成分、性能要求及失效機理和一般常溫下的零件相比，有很大的不同。 鋼的高溫強度和組織穩定性是耐熱鋼設計與處理工藝的主要矛盾。從合金化考慮，主要措施有原子結合力、強化晶界、穩定相的彌散強化。不同合金的耐熱鋼有其適宜的使用溫度范圍。本章小結2022/9/22基本要求：高溫強度、抗氧化性強化途徑：基體強化， 原子結合力， 熔點晶界強化，凈化雜質，填充空位彌散強化，第二相細小、彌散、均布工藝措施：熱處理組織穩定基本合金化：Cr：抗氧化性主要元素，Cr2O3致密穩定，Mo/W: 熱強性， 原子結合力。Ti/V 熱強性，K彌散穩定，促進Cr、Mo作用2022/9/22P熱強鋼M熱強鋼A熱強鋼抗氧化鋼特點：F+P組織，鍋爐管組織不穩定現象：P球化長大，石墨化，Me擴散重新分布，緊固件應有高松弛穩定性，轉子應有高熱強性和穩定性。一般600特點：汽輪機葉片鋼，具有高淬透性和回火穩定性，在成分一定時，控制加工溫度可調整F量，工作溫度750以下.42Cr9Si2氣閥鋼