耐热钢及耐热合金课件.ppt
第十章 耐热钢,乙烯裂解装置,概述,高温下工作并具有一定强度和抗氧化、耐蚀能力的铁基合金称为耐热钢。在高温下使用的Ni基，Co基，Mo基，Nb基，Ta基等合金称为高温合金。,飞机发动机,10.1 耐热金属材料的工作条件及性能特点,一、工作条件和性能要求二、耐热钢的抗氧化性三、耐热金属材料的热 强性（高温强度）四、耐热钢及耐热合金 的分类,锅炉管,一、耐热金属材料工作条件和性能要求,工作环境 高温 高压力（较大应力）高温氧化（高温腐蚀）失效形式 高温氧化（热腐蚀）蠕变 热疲劳等蠕变：金属在长时间的恒温、恒应力作用下，应力小于材料的屈服强 度，也会缓慢地产生塑性变形，这个现象称为蠕变。,汽轮机转子,一、耐热金属材料工作条件和性能要求,应具备的基本性能 优良的高温力学性能热强性 高温化学稳定性 物理性能（高温下的热膨胀率，热导性）良好的加工性能钢的热强性 高温强度又称热强性，是钢在高温下抵抗塑性变形和破断的能力。,一、耐热金属材料工作条件和性能要求,热强性能指标的表达方式蠕变极限，持久强度、持久寿命。蠕变极限：在给定温度下和规定时间内到达规定变形量时 所能承受的应力。或在给定的温度下，使试样 产生规定的蠕变速度的应力。持久强度：在一定温度下，在规定时间内，材料断裂所能 承受的最大应力。持久寿命：在某一温度和规定应力作用下，从作用开始到 拉断的时间。,二、耐热钢的抗氧化性,抗氧化性不是说在高温条件下不被氧化，而是指在高温下迅速氧化，但在氧化后能在金属表面形成一层连续致密的，并能牢固附着在金属表面的氧化薄膜，这层薄膜起到隔绝氧气与金属基体接触的作用，防止金属被继续氧化。抗氧化性评定方法 增重法，减重法（单位时间单位面积上氧化后重量的增减来表征），容量法（恒压下测量O2的消耗量），压力法（密闭容器中，用压力下降来测定氧气的消耗量）,（一）普通钢的高温氧化,超过300，碳钢就会发生明显氧化，温度再升高，氧化加剧。超过570 氧化特别强烈。570 以下，Fe的氧化膜主要由Fe2O3Fe3O4组成，但超过570 主要由FeOFe3O4+Fe2O3组成，而FeO是缺位固溶体，氧原子能自由进入,570 以上Fe氧化膜示意图,（2）提高钢抗氧化性的途径,形成保护性的氧化膜主要采用合金化的方法，一般添加Cr，Al，Si元素形成Cr2O3，Al2O3和SiO2氧化膜，防止氧化Cr是最常用的抗氧化元素渗铝，渗Cr或者在金属表面涂覆保护性的薄膜也是常用的方法,三、耐热金属的热强性（高温强度）,金属高温力学性能的特点1、与室温力学性能的区别在于受温度和时间的影响2、高温下的断裂形式发生变化 常温下均为穿晶断裂，高温下经常为沿晶断裂,三、耐热金属的热强性（高温强度）,提高耐热钢热强性途径1.影响热强性的因素（1）影响耐热钢软化的因素温度提高，原子间结合力下降，原子扩散系数增大，使钢中的亚稳态向稳态过渡等导致软化（2）形变断裂方式的变化穿晶沿晶,三、耐热金属的热强性（高温强度）,2.提高热强性途径（1）基体强化 提高基体的原子间结合力，降低固溶体的扩散过程。一般熔点高，自扩散系数小，能提高再结晶温度的合金元素固溶于基体都能提高热强性，如Mo，W，Co，Cr等。另外，奥氏体组织较铁素体结合紧密，扩散不易进行。,提高耐热钢热强性途径,（2）第二相沉淀强化主要要求第二相稳定，不易聚集长大，能在高温长期保持细小弥散分布。耐热钢大多用高熔点碳化物作强化相，如MC，M23C6，M6C，更高温度则用金属间化合物作强化相，如Ni3（Al.Ti），Ni3Ti，Ni3Al等（3）晶界强化高温晶界强度低，适当增大晶粒度，减少晶界数量是常用的方法，另外，还可以采用a.净化晶界；b.填充晶界空位；c.晶界沉淀强化等手段强化晶界。,四、耐热钢和耐热合金的分类,按元素分:Fe基，Ni基，Co基，Mo基，Ta基，Nb基等。按组织分：-Fe基耐热钢（珠光体耐热钢，马氏体耐热钢，铁素体耐热钢）-Fe基耐热钢（奥氏体耐热钢）Ni基耐热合金（Cr20Ni80为基础）难熔金属耐热合金,10.2 抗氧化钢,工作环境：高温下长期工作 载荷不大应用举例：工业加热炉的构件分类：铁素体型抗氧化钢 奥氏体型抗氧化钢,10.2 抗氧化钢,铁素体型抗氧化钢在铁素体不锈钢基础上添加适量的Si，Al发展而来。Cr13型：Cr13Si3，Cr13SiAl，800-850Cr18型：Cr18Si2，Cr17Al4Si，1000 Cr25型：Cr24Al2Si，Cr25Si2，1050-1100 特点：抗氧化性能良好，但韧性低，不宜承受载荷,10.2 抗氧化钢,奥氏体型抗氧化钢在奥氏体不锈钢基础上发展而来，比铁素体不锈钢有更好的热强性和加工工艺性能，可承受一定载荷。代表：Cr18Ni25Si2 为了节省Ni，开发了Fe-Al-Mn 和Cr-Mn-N系,10.3 珠光体及马氏体耐热钢,10.3.1 珠光体耐热钢一、概述定义：珠光体耐热钢指在正火状态下，显微组织是珠光体的耐热钢。应用：石油化工，动力工业分类：低碳珠光体耐热钢和中碳珠光体耐热钢。,二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）,1.工作条件及性能要求工作条件：主要用作锅炉管，管内高压蒸汽，外壁与火焰烟气接触性能要求：足够的高温强度和持久性能足够的抗氧化及耐蚀性能足够的组织稳定性能良好的冷、热加工性能,二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）,2、化学成分特点：低的含碳量：0.08-0.2可保证良好的冷、热加工性，抗氧化性，不易产生碳化物的聚集长大、球化和石墨化。适量的Cr，Mo，W，V，Ti，Nb为进一步提高抗氧化性，稳定钢的组织及热强性。代表牌号：16Mo、12CrMo、12CrMoV，使用温度为(350550),冷拔锅炉管,二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）,3.组织稳定性 低碳珠光体耐热钢在使用过程中组织经常发生一系列的变化，导致构件失效，主要有三个方面：（1）珠光体的球化及碳化物聚集长大（2）石墨化（3）合金元素在固溶体和碳化物中的扩散和 再分配,（1）珠光体的球化及碳化物聚集长大,珠光体耐热钢在高温下长期使用，都发生层片状珠光体球化和片状渗碳体的聚集长大。使钢的强度明显降低，完全球化后的持久强度比未球化的降低1/3左右。一般添加Cr，Mo，V形成碳化物，可明显阻止渗碳体的球化。,未球化，珠光体中碳化物略呈片状,轻度球化，珠光体区域中碳化物开始分散，并开始向晶界扩散，珠光体形态尚明显。,中度球化，珠光体区域中的碳化物已明显分散，并已向晶界聚集，珠光体尚保留其形态,完全球化，珠光体已基本消失，球状碳化物分布在晶界及铁素体基体上，分散度大,（2）石墨化,是低碳珠光体耐热钢组织变化中最危险的组织渗碳体分解出石墨 Fe3C3FeG（石墨）后果：钢的蠕变极限，持久强度，塑性，韧性明显下降预防：0.3-0.5的Cr可预防石墨化，强碳化物形成元素可抑制石墨化促进石墨化元素：Mo，Al，Si，Ni,1级石墨化，现象不明显，游离碳占20%左右。b降低不明显，ak7%,2级明显石墨化，游离碳占40%左右。2-3级时b降低8-10%，ak4-7%,（3）合金元素在固溶体和碳化物中的扩散和再分配,含Mo的珠光体耐热钢，如16Mo，15CrMo等，在高温下工作，固溶体中的Mo会逐渐减少，而碳化物中的Mo会逐渐增多。使钢的热强性严重下降降低合金元素再分配方法 固溶体复合合金化 加入Ti，V，Nb等强碳化物形成元素,二、中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢）,耐热的紧固件（螺栓，螺母，气封弹簧片，阀杆），汽轮机转子（主轴，叶轮）等,二、中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢）,使用环境特点：温度低于锅炉管子 承受扭转，弯曲，震动所产生的应力和温度梯度引起的热应力性能要求 较高的热强性，热疲劳性，高温塑性，韧性的综合性能加工 一般采用锻造加工，少用焊接合金化特点 含碳量较高Cr，Mo（提高淬透性和回火稳定性）适量的Ti，Nb，V，B等。热处理 淬火高温回火,10.3.2 马氏体耐热钢,汽轮机叶片,叶片用钢内燃机排气阀用钢,叶片用钢,工作环境：承受复杂应力 高压蒸汽冲刷性能要求：高的耐蚀性，热强性，耐磨性，抗氧化性成分特点：在Cr13基础上适当添加W，V，Nb 等元素提高热强性代表钢种：1Cr13，2Cr13，15Cr11MoV,内燃机排气阀用钢,工作环境：700-850，燃气中含有Na，S，V等气体和盐类介质损伤形式：机械疲劳，热疲劳，气体冲刷等性能要求：高温强度，硬度，韧性，抗氧化性，耐蚀性，组织稳定成分特点：添加Si提高抗氧化性，Mo提高淬透性和第二类回火脆性代表钢种：4Cr9Si2，4Cr14Ni14W2Mo热处理工艺：淬火+高温回火，使用组织：索氏体,10.4 奥氏体耐热钢及耐热合金,概述：珠光体及马氏体耐热钢均为-Fe基，在使用温度超过600以上，化学稳定性和热稳定性都不足以保证良好的使用性能，这时必须采用-Fe基奥氏体耐热钢或耐热合金,10.4 奥氏体耐热钢及耐热合金,-Fe基奥氏体耐热钢比-Fe基耐热钢具有 更高的热强性，原因在于：1.-Fe晶型的原子间结合力比-Fe大；2.-Fe中Fe及其他元素原子的扩散系数小，再结 晶温度高，其再结晶温度可以达到800以上，而-Fe再结晶温度为450600。,10.4 奥氏体耐热钢及耐热合金,奥氏体耐热钢的优点较高的抗氧化性，高的塑性、韧性，良好的可焊性。缺点：室温强度低，导热性差，压力加工及切削困难。分类：固溶强化型 碳化物沉淀强化型 金属间化合物沉淀强化型（铁基耐热合金）,固溶强化型,合金化特点 低碳，主加元素为Cr，Ni形成奥氏体组织，添加W，Mo固溶强化提供固溶强化特点：焊接及冷加工成型性好使用环境：温度较高，承受载荷不大的零件上，如高温传送带，喷气发动机的喷嘴等代表钢种：Incoloy800Cr20Ni32,碳化物沉淀强化型,化学成分特点高Cr，Ni以形成奥氏体；含有强碳化物形成元素：W，Mo，Nb，V等；特点：以碳化物为沉淀强化相热处理：铸态使用或锻轧后经固溶处理时效处理后使用代表钢种：4Cr25Ni20（HK40）5Cr25Ni35（HP）5Cr25Ni33NbW 组织特点：M7C3，MC为骨架强化晶界用途：石化装置 600-1050 载荷不高,金属间化合物沉淀强化型,化学成分特点：低碳，（0.08）高Ni（25-40），添加Al，Ti，Mo，W，V稳定奥氏体并形成Ni3(Al,Ti)相沉淀强化代表钢种：GH132（0Cr15Ni26MoTi2AlVB），GH130应用：600-700,载荷较大构件，如涡轮盘，导向叶片等,航空发动机涡轮盘,10.5 Ni基高温合金,耐热钢和铁基耐热合金在较高载荷下使用温度只能达到750-850，对于更高温度下使用的部件，一般采用Ni基，Co基及其他难熔金属为基体的合金,10.5 Ni基高温合金,一、镍基高温合金的合金化Ni基高温合金是在Cr20Ni80的基础上发展而来的，合金中加入大量的强化元素，如W，Mo，Ti，Al，Nb，Co等，一般不含Fe基体是Ni，组织是奥氏体合金元素作用Al，Ni，Ti生成稳定的强化相Ni3（Al，Ti）Nb形成Ni3（Al，Ti，Nb）沉淀强化Cr抗氧化B，Ce，Zr微量，强化晶界,Ni高温合金的分类,变形镍基高温合金铸造后经锻轧加工特点：较高的强度和高温持久性能较好的持久塑性，较好的加工性能。使用温度：700-1000用途：喷气发动机叶片热处理：1.固溶处理：1040-12302.时效：从固溶处理后的介稳状态中 析出强化相3.中间热处理（二次固溶处理）：控制合金晶界沉淀相的种类、大小、数量和分布为时效处理作准备,Ni高温合金的分类,铸造镍基高温合金由于熔炼新工艺，细化晶粒及小孔铸造技术的发展，使铸造镍基高温合金质量获得较大的提升和改善，使用温度可达1050.由于铸造后冷却缓慢，多数析出反应进行的较完全，在铸态下可直接使用。组织特点：显微组织有疏松，偏析和枝晶（通过热等静压工艺消除）,10.6高温合金的发展,一、采用特殊的先进技术生产高温合金目的：提高使用温度，力学性能和耐蚀能力1.粉末冶金高温合金 消除组织的不均匀性，并细化晶粒 还可以制备出含有更多强化相（硼化物，氧化物，硅化物等）的新合金,10.6高温合金的发展,2.定向凝固高温合金起因：大多数高温合金制造的涡轮叶片的破坏，是由于垂直于应力轴方向的晶界断裂引起的，如能减少或消除叶片中垂直于应力轴的晶界，将大大提高叶片的使用寿命.缺点：结晶速度低，生产成本高,各种发动机定向凝固涡轮叶片,3.单晶高温合金与定向凝固相比，工作温度可提高25-50，热稳定性提高5倍，持久、蠕变性能提高20-30,直升飞机用粉末盘和单晶叶片的涡轮转子,单晶叶片,一、采用特殊的先进技术生产高温合金,4.金属间化合物优点：优异的高温性能：屈服强度高，弹性模量，密度小，比强度高，良好的抗高温氧化性.缺点：室温脆性大，易断裂，难切削代表：NiAl系 TiAl系应用：航空，航天，能源领域,二、难熔金属及合金,超高温下使用，1300并承受大应力Ta，Mo，Nb基合金特点熔点高，高温强度高，熔炼加工困难，密度大应用 航天，高压，超高温交换器等领域,严重球化，晶界及铁素体基体上的碳化物已逐渐长大，分散度大,1级石墨化，现象不明显，游离碳占20%左右。b降低不明显，ak7%,2级明显石墨化，游离碳占40%左右。2-3级时b降低8-10%，ak4-7%,
