河海大学 工程材料 耐热钢及高温合金

2020年1月21日星期二1工程材料A第六章耐热钢和高温合金机电工程学院2020年1月21日星期二2第六章耐热钢和高温合金§6.1钢的热稳定性和热稳定性钢§6.2金属的热强性§6.3α-Fe基热强钢§6.4γ-Fe基热强钢2020年1月21日星期二3§6.1钢的热稳定性和热稳定性钢第六章耐热钢和高温合金耐热钢：高温下具有高的热化学稳定性(抗腐蚀和耐腐蚀性能)和热强性的特殊钢。种类：1、热稳定钢高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀而不破坏的钢种。2、热强钢高温下具有一定抗氧化能力并具有足够强度而不产生大量变形或断裂的钢种。失效形式：高温下强度不足、表面氧化腐蚀2020年1月21日星期二4§6.1钢的热稳定性和热稳定性钢服役条件：高温下工作（影响化学稳定性、降强度）性能要求：1、抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化能力2、介质中抗腐蚀能力和足够韧性3、良好加工性能和焊接性4、合理的组织稳定性用途：制造工业加热炉、热工动力机械（如内燃机）、石油及化工机械与设备等。第六章耐热钢和高温合金§6.1钢的热稳定性和热稳定性钢2020年1月21日星期二5一、钢的抗氧化性能及其提高途径失效：高温下强度不足、表面氧化腐蚀要求：较好的热稳定性热稳定性：钢在高温下抗氧化和高温介质腐蚀的能力；指标：g/m2.单位时间、面积上的氧化后质量增加或减少的数值表示。第六章耐热钢和高温合金§6.1钢的热稳定性和热稳定性钢2020年1月21日星期二6氧化机理：第六章耐热钢和高温合金§6.1钢的热稳定性和热稳定性钢。2020年1月21日星期二7铁氧化物：FeO、Fe2O3、Fe3O4（致密）第六章耐热钢和高温合金§6.1钢的热稳定性和热稳定性钢FeO氧化物：Fe缺位固溶体，Fe离子通过FeO层易扩散，即易氧化抗氧化措施：防止FeO形成；提高其形成温度；加入合金元素Cr、Al、Si形成其致密牢固氧化物，防止Fe、O原子扩散Al、Si加入有副作用，降强度增脆性2020年1月21日星期二8①在钢表面生成致密稳定连续而牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜，但Al、Si明显增加钢的脆性，常与Cr一起加入；当Cr达5％时，工作温度达600～650℃，达28％时，工作温度可达1100℃。②微量稀土(RE)元素如钇(Y)、镧(La)等，能防止高温晶界的优先氧化，明显改善耐热钢的抗氧化性。③金属表面渗Cr、Al、Si也有效提高钢抗氧化性。§6.1钢的热稳定性和热稳定性钢§5特殊性能钢2020年1月21日星期二9二、热稳定钢（抗氧化钢，不起皮钢）种类：F型热稳定钢、A型热稳定钢F型热稳定性钢：Cr13、Cr18、Cr25型A型热稳定性钢：A型不锈钢加Si、Al而得性能：后者较前者更好的工艺性能和热强性第六章耐热钢和高温合金§6.1钢的热稳定性和热稳定性钢2020年1月21日星期二10牌号典型钢种应用热处理工艺？第六章耐热钢和高温合金§6.1钢的热稳定性和热稳定性钢2020年1月21日星期二11高温力学性能指标：①蠕变极限：材料在高温长期载荷下对缓慢塑性变形（即蠕变）的抗力；以表示700℃下经1000h产生0.2%残余变形量的最大应力。②持久强度：材料在高温长期载荷下对断裂的抗力；以表示在500℃下经10000h发生断裂的应力值。§6.2金属的热强性§5特殊性能钢7001000/2.050010000第六章耐热钢和高温合金2020年1月21日星期二12一、高温下金属材料力学性能特点热强性：高温和载荷下抵抗塑性变形能力包括：高温下瞬时性能和长时性能瞬时性能：高温拉伸、冲击、硬度长时性能：蠕变极限、持久强度、应力松弛、高温疲劳强度、冷热疲劳等第六章耐热钢和高温合金§6.2金属的热强性2020年1月21日星期二13二、耐热钢热强性的影响因素及其提高途径1、影响耐热钢热强性的因素A、软化因素温升，原子结合力下降，扩散系数加大，组织由亚稳定态向稳态转变。如第二相集聚长大等B、形变断裂方式变化低温滑移；高温有滑移、扩散变形、晶界滑动和迁移C、断裂失效金属常温断裂：穿晶断裂（晶内强度大于晶界强度）金属高温断裂：晶间断裂（原子扩散加速）第六章耐热钢和高温合金§6.2金属的热强性2020年1月21日星期二142、提高钢的热强性途径①基体(固溶)强化元素Cr、Ni、W、Mo等，形成单相组织并提高再结晶温度。原理：提高原子结合力，降低扩散系数②第二相沉淀强化元素V、Ti、Nb、Al等，形成细小弥散分布的稳定碳化物(VC、TiC、NbC)或稳定性更高的金属间化合物(Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Al)，获得第二相沉淀强化效果并提高组织稳定性。原理：常时间稳定难长大，高温弥散态§6.1钢的热稳定性和热稳定性钢§5特殊性能钢§6.2金属的热强性第六章耐热钢和高温合金2020年1月21日星期二152、提高钢的热强性途径③晶界强化减少高温下晶界转动途径：减少晶界：控制钢晶粒度（难滑移塑变抗力提高）净化晶界：微量元素硼(B)与稀土(RE)元素，高熔点晶核，长大进入晶内，起净化晶界。晶界空位填补：晶界易扩散，加B、RE填充晶界空位晶界沉淀强化：晶界析出强化相，塑变滑移和断裂扩展受阻，热强性提高，如析出Cr23C6还有：形变强化处理第六章耐热钢和高温合金§6.2金属的热强性2020年1月21日星期二16种类：P型热强钢、M型热强钢特点：加热或冷却时，α、γ相间互转变，中温使用，热强性、热稳定性、工艺性能较好、线膨胀系数小，低碳、低廉，600-650℃使用；应用：制造锅炉、汽轮机、石油提炼设备等第六章耐热钢和高温合金§6.3α-Fe基热强钢2020年1月21日星期二17一、珠光体型热强钢分类（C含量）：低碳P热强钢、中碳P热强钢低碳P热强钢：锅炉管道等；中碳P热强钢：汽轮机等耐热紧固件、转子。失效：常时间高温工作+介质腐蚀，产生组织转变和性能变化第六章耐热钢和高温合金§6.3α-Fe基热强钢2020年1月21日星期二18组织：细片P＋F，在600℃以下工作的热工动力机械和石油化工设备。碳0.10%～0.40%；耐热性合金Cr、Mo、W、V、Ti、Nb等强化铁素体并防止碳化物的球化聚集长大以保证热强性。①低碳12CrMo、15CrMoV，优良的冷热加工性能，主要用做锅炉管线等，正火后使用。②中碳35CrMo、35CrMoV，调质后使用，具有优良的高温综合力学性能，用作耐热的紧固件和汽轮机转子。§6.1钢的热稳定性和热稳定性钢§5特殊性能钢第六章耐热钢和高温合金§6.3α-Fe基热强钢2020年1月21日星期二19热强钢的成分（牌号）、热处理、用途和机械性能第六章耐热钢和高温合金§6.3α-Fe基热强钢2020年1月21日星期二20失效原因：1、珠光体球化和碳化物集聚长大机理：长时间高温工作，片状碳化物球化，小颗粒集聚成大颗粒，组织软化，亚稳态向稳定态转变，C原子扩散完成。2、钢石墨化机理：Fe3C分解Fe和C的过程，石墨即小裂纹，降机械性能，脆断；措施：加Cr、Ti、Nb元素阻碍C化。3、合金元素的再分布机理：高温下Me向碳化物扩散集聚，基体Me贫化，热强性下降。措施：加强碳化物形成元素Ti、V、Nb等。第六章耐热钢和高温合金§6.3α-Fe基热强钢2020年1月21日星期二21失效原因：4、热脆性机理：高温长时工作，韧性大幅下降，脆性断裂，即热脆性，析出新相措施：避开脆性区工作，加W、Mo，已发生脆性采用600-650℃高温回火快冷消除珠光体热强钢热处理：正火+使用温度高100℃下高温回火第六章耐热钢和高温合金§6.3α-Fe基热强钢2020年1月21日星期二22二、马氏体热强钢①低碳高铬型，Cr13型不锈钢加入Mo、W、V、Ti、Nb等元素而形成，牌号有1Cr11MoV、1Cr12WMoV等,因这种钢还有优良的消振性，最适宜制造工作温度在600℃以下的汽轮叶片，故又称叶片钢。§6.3α-Fe基热强钢§5特殊性能钢第六章耐热钢和高温合金汽轮机叶片2020年1月21日星期二23②中碳铬硅钢，4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等，既有良好的高温抗氧化性和热强性，还有较高的硬度和耐磨性，最适合于制造工作温度在750℃以下的发动机排气阀，故又称排气阀钢。热处理：淬火形成马氏体＋高温回火状态下使用2020年1月21日星期二24马氏体热强钢钢种与应用第六章耐热钢和高温合金§6.3α-Fe基热强钢2020年1月21日星期二25在奥氏体不锈钢的基础上加：W、Mo、V、Ti、Nb、Al等，强化奥氏体并能形成稳定的特殊碳化物或金属间化合物。具有比珠光体热强钢和马氏体热强钢更高的热强性和抗氧化性，此外还有高的塑性、韧性及良好可焊性、冷塑性成形性。常用1Cr18Ni12Ti、4Cr14Ni14W2Mo等，用于工作高达800℃的各类紧固件与汽轮机叶片、发动机气阀，使用状态为固溶处理状态或时效处理状态。二、耐热钢（常用耐热钢_奥氏体）§5特殊性能钢§6.4γ-Fe基热强钢2020年1月21日星期二26奥氏体热强钢：一、固溶强化型二、碳化物沉淀强化型三、金属间化合物强化型掌握：化学成分、牌号、热处理工艺、机械性能、应用第六章耐热钢和高温合金§6.4γ-Fe基热强钢过热器管排过热器集箱2020年1月21日星期二27第六章耐热钢和高温合金§6.3α-Fe基热强钢2020年1月21日星期二28第六章耐热钢和高温合金2020年1月21日星期二29第六章耐热钢和高温合金2020年1月21日星期二30航空、航天工业的喷气式发动机在800℃以上的高温下长期承受一定的载荷工作，耐热钢已不能满足抗氧化性尤其是热强性要求，此时便应采用高温合金，它包括铁基、镍基、钴基。1.铁基高温合金工作温度800～900℃的零件，使用状态为固溶或固溶＋时效。常用牌号如GH1131，Cr20％、Ni28%、W5％、Mo4％左右。2.镍基高温合金基本性能类似于铁基高温合金，但热强性和组织稳定性稍优；但价格昂贵。如GH3030，Cr20％、微量的Ti、Al等元素。1000℃左右二、耐热钢（常用耐热钢_高温合金）§5特殊性能钢2020年1月21日星期二31耐磨钢：用于制造高耐磨性零件的特殊钢种；广义上，高碳工具钢、一部分结构钢及合金铸钢均可用于制造耐磨零件；最重要的是：高锰耐磨钢。三、耐磨钢§5特殊性能钢颚式破碎机挖掘机2020年1月21日星期二32三、耐磨钢§5特殊性能钢履带球磨机衬板挖掘机铲齿铁路道岔2020年1月21日星期二33三、耐磨钢§5特殊性能钢球磨机用于：大型水泥厂，耐火材料厂，冶炼厂，把颗粒研磨成粉状，以利于提取里边所需的矿物质。2020年1月21日星期二34化学成分：高碳(0.9%~1.5%)、高锰(11％~14％)。ZGMn13。铸态组织：粗大A＋Fe3C网，脆性大，不直接使用。固溶处理：（1060~1100℃水冷）后可得到单相A，此时韧性很高(故又称“水韧处理”)。加工硬化：(A→M)形成硬(＞500HBW)而耐磨的表面层(10~20mm)，心部为高韧性的A。主要用途：坦克、拖拉机、挖掘机的履带板、破碎机衬板、铁路道岔等。三、耐磨钢（高锰钢）§5特殊性能钢2020年1月21日星期二35课后作业：P12(Ch6)第1题、第5题P13(Ch6)第10题、第14题、第19题作业2020年1月21日星期二36课内作业：课内作业：1、比较高速钢和硬质合金的优缺点。2、指出下列特殊性能钢的类别和用途：①3Cr13②0Cr18Ni9③ZGMn13④12CrMoV作业2020年1月21日星期二371、硫在钢中的存在形式，分析它在钢中的可能作用。2、为自行车零件选择其合适材料：①链条；②座位弹簧；③大梁；④链条罩。3、某厂原用45MnSiV生产高强韧性钢筋，现有15、25MnSi、65Mn、9SiCr钢，试问这四种钢中有无可代替上述45MnSiV钢筋的材料？若有应怎样进行热处理？其代用的理论依据是什么？4、试比较T9、9SiCr、W6Mo5Cr4V2作为切削刀具材料的热处理、力学性能特点及适用范围，并由此得出一般性结论。习题2020年1月21日星期二38知识本身没有力