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第七章耐热钢及耐热合金

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第6章耐热钢和耐热合金

第6章耐热钢和耐热合金
第6章 耐热钢和耐热合金
耐 热 钢：在高温下工作并具有一定强度和抗氧化、耐腐蚀能力的铁基合金。 耐热合金：在更高温度下工作的镍基、钴基、钼基、铌基、钽基等合金（或
称为高温合金） 。 本章着重介绍耐热钢的种类、成分、组织及性能特点，并简要介绍镍基合金。
第1节 耐热金属材料的工作条件及性能特点
一、耐热金属材料的工作条件和性能要求
P、M型耐热钢(α-Fe基)在化学稳定性和热强性两方面已很难胜任，必 须更换基体组织，采用γ-Fe基的A钢。
一、铁素体型抗氧化用钢：在F不锈钢基础上进一步加适量Si、Al。 按抗氧化性或使用温度可分： ①Cr13型：如Cr13Si3、Cr13SiAl等，可在800-850℃抗氧化不起皮； ②Cr18型：如Cr18Si2、Cr17A14Si等，可在1000℃左右使用； ③Cr25型：如Cr24Al2Si、Cr25Si2等，可在1050-l100℃使用。 这类钢为单一F组织，没有相变，所以晶粒较粗大，韧性低。在使用中应特
低碳珠光体耐热钢的热处理 这类钢热处理工艺为：正火＋高温回火。 正火：
加热温度比通常的Ac3+50℃高100-150℃。由于含有一定量铬、钨、钼、钒等 ，因此空冷后组织依据合金元素种类、含量及构件尺寸不同，可分别获得B、低 碳 M及F+P。
高温回火：
一般回火温度要高于构件使用温度100℃。
目的是稳定组织，并使固溶体基体与碳化物相之间合金元素合理分配。
1.普通钢的高温氧化
普通碳钢温度高于300℃时其表面就开始氧化，随温度升高氧化速度增大。 温度超过570℃氧化特别强烈。
因 ： 570℃ 以 下 氧 化 层 为 Fe3O4 ＋ Fe2O3 ， 结 构 复 杂 且 较 致 密 ， 氧 化 较 慢 ； 570℃以上外表至内层依次形成Fe2O3、 Fe3O4 、FeO氧化物。其厚度比约为

材料的高温力学性能

材料的高温力学性能
严格地讲，蠕变可以发生在任何温度，在低温时，蠕 变效应不明显，可以不予考虑；当约比温度大于0.3时， 蠕变效应比较显著，此时必须考虑蠕变的影响，如碳钢超 过300℃、合金钢超过400℃，就必须考虑蠕变效应。
6
第七章 材料的高温力学性能
§ 7-1高温蠕变性能
一、蠕变的一般规律
蠕变过程可以用蠕变曲线来描述。对于金属材料 和陶瓷材料，典型的蠕变曲线如图7-1所示。OA线段是施 加载荷后，试样产生的瞬时应变εo，不属于蠕变。
四、高温疲劳性能
1.高温疲劳的一般规律 通常把高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高温疲劳。 高温疲劳试验中，随温度升高，疲劳强度下降。高温 疲劳的最大特点是与时间相关。
36
第七章 材料的高温力学性能
§ 7-2其他高温力学性能
四、高温疲劳性能
2.疲劳和蠕变的交互作用 高温疲劳中主要存在疲劳损伤成分和蠕变损伤成分。根 据损伤造成的原因，疲劳和蠕变的交互作用大致分为两类： 一类为瞬时交互作用，另一类为顺序交互作用。 交互作用的大小与材料的持久塑性有关。材料的持久塑 性越好，则交互作用的程度越小；反之，材料的持久塑性越 差，则交互作用的程度越大。交互作用与试验条件有关，例 如循环的应变幅值、压拉保时的长短与温度等。
力学性能就表现出了时间效应。
所谓温度的高低，是相对于材料的熔点而言的，一般用
“约比温度(T／Tm)”来描述，其中，T为试验温度，Tm 为材料熔点，都采用热力学温度表示。
当T／Tm＞0.4-0.5时为高温，反之则为低温。
5
第七章 材料的高温力学性能
§ 7-1高温蠕变性能
一、蠕变的一般规律
材料在高温下力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。 所谓蠕变就是材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地 产生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导致材料的断 裂称为蠕变断裂。

耐热钢

耐热钢

5
按制备工艺分类，有变形高温合金， 按制备工艺分类，有变形高温合金，铸造 高温合金和粉末冶金高温合金。 高温合金和粉末冶金高温合金。 按强化方式分类，有固溶强化型、 按强化方式分类，有固溶强化型、沉淀强 化型、金属间化合物、 化型、金属间化合物、氧化物弥散强化型 和纤维强化型等。 和纤维强化型等。 铁基、 铁基、钴基和镍基合金的使用温度一般不 超过1000℃，温度再高就必须选用难熔金 超过 ℃ 指熔点高于1650℃的金属）或其合金 属（指熔点高于 ℃的金属）
Chapter 7 耐热钢和高温合金
1
• 耐热钢和高温合金是指在高温下工作并具有 一定强度和抗氧化、耐腐蚀能力的金属材料。 一定强度和抗氧化、耐腐蚀能力的金属材料。 • 耐热钢按合金元素多少通常可以分为两类： 耐热钢按合金元素多少通常可以分为两类： 在低合金结构钢基础上发展起来的低合金珠 光体型热强钢； 光体型热强钢； 在不锈钢基础上发展起来的高合金专用耐热 钢。
三、合金元素对化学稳定性的影响
1、Cr、Al、Si改善钢的化学稳定性。 、 、 、 改善钢的化学稳定性 改善钢的化学稳定性。 • Cr、Al、Si提高 提高FeO出现的温度，改善钢的高温 出现的温度， 、 、 提高 出现的温度 化学稳定性。 化学稳定性。 钢表面氧化膜的结构： 外层： 钢表面氧化膜的结构 ： 外层 ： Fe 2 O 3 ； 中间层 Fe 3 O4 ； 内层 内层FeO，当 FeO出现时钢的氧化速度 ， 出现时钢的氧化速度 剧增。 剧增。 • Cr、Al含量较高时， 钢的表面出现致密的 2O3 含量较高时， 、 含量较高时 钢的表面出现致密的Cr 保护膜。 或Al2O3保护膜。 • 含硅钢中生成 2 SiO4 氧化膜 ， 具有良好的保护 含硅钢中生成Fe 氧化膜， 作用。 作用。 10 • Cr是提高抗氧化能力的主要元素，Al也能单独提 是提高抗氧化能力的主要元素， 也能单独提 是提高抗氧化能力的主要元素 耐热钢的工作条件及性能 7.1 高钢的抗氧化能力。 高钢的抗氧化能力。

耐热钢与耐热合金

耐热钢与耐热合金

钛基合金
01
钛基合金是以钛为主要成分的合金，具有轻质、高强、耐腐蚀等优点。
02
钛基合金广泛应用于航空航天、船舶、化工等领域。
03
钛基合金的优点包括优良的高温强度、蠕变强度、抗疲劳性能和耐腐 蚀性能，密度低，减轻设备重量。
04
钛基合金的缺点是加工困难，成本较高，但其使用寿命长，适用于高 温和腐蚀环境。
应用
广泛应用于发动机、涡轮机、热力管道等需要承受交变载荷的设 备。
03 耐热合金的种类与特性
高温合金
01
02
03
04
高温合金是指在高温下具有优 良力学性能和抗氧化、抗腐蚀
能力的合金。
高温合金主要应用于航空航天 、能源、化工等领域，用于制
造高温部件和设备。
高温合金的优点包括良好的高 温强度、蠕变强度、抗疲劳性 能和抗氧化、抗腐蚀能力。
化学性能比较
抗氧化性
耐热合金的抗氧化性通常优于耐热钢，因为合金元素可以形成更 稳定的氧化膜。
抗腐蚀性
耐热合金的抗腐蚀性也优于耐热钢，因为合金元素可以增强钢的钝 化性能。
高温稳定性
在高温环境下，耐热合金的化学稳定性通常优于耐热钢。
机械性能比较
1 2
强度
耐热合金的强度通常高于耐热钢，因为合金元素 可以细化钢的晶粒，从而提高强度。
韧性
在低温环境下，耐热钢的韧性通常优于耐热合金。 但在高温环境下，耐热合金的韧性可能会降低。
3
疲劳强度
耐热合金的疲劳强度通常高于耐热钢，特别是在 循环载荷下。
06 耐热钢与耐热合金的未来 发展与挑战
新材料的研发与应用
研发新型耐热钢与耐热合金，以满足更高温度和更复杂环境下的应用需求。 探索新型的合金元素和制备工艺，以提高材料的抗氧化、抗蠕变和抗腐蚀性能。

第七章 合金元素在钢中作用

第七章 合金元素在钢中作用

4．常用钢种
40 40 4ZSiMn 低淬透性合金调质钢 Cr、 MnB、 38 40 中淬透性合金调质钢 CrMoAl、 CrNi 高淬透性合金调质钢 CrMnMo、 Cr Ni4WA 40 25 2
四、合金弹簧钢
1．弹簧性能特点
要求必须具有高的弹性极限，高的屈 要求必须具有高的弹性极限， 强比（Gs/50）高的疲劳强度（ 强比（Gs/50）高的疲劳强度（尤其 是缺口疲劳强度） 是缺口疲劳强度）及足够韧性。
4.合金元素对M相变温度也有影响 4.合金元素对M
大多数合金元素使Ms点下降 大多数合金元素使Ms点下降
第二节 合金钢的分类与编号
一、合金钢分类 通用分类方法有 : 1．按合金元素的质量分数 2．按合金元素的种类分：铬钢、锰钢、铬镍 按合金元素的种类分：铬钢、锰钢、 钢、硅锰钼钒钢等 3．按主要用途分
建 筑 及 工 程 用 结 构 钢 结构钢 机 械 制 造 用 结 构 钢 工 具 钢 特 殊 性 能 钢
二、合金钢的牌号
命名原则：由钢中碳的质量分数、 命名原则：由钢中碳的质量分数、 合金元素的种类和质量分数的组合 来表示。 来表示。当钢中合金元素的平均质 量分数<1.5%钢号中只标出元素符 量分数<1.5%钢号中只标出元素符 不标明元素的平均质量分数。 号，不标明元素的平均质量分数。 >1.5%、2.5%、3.5%在元素符 当>1.5%、2.5%、3.5%在元素符 号的后面相应标出2 ……。 号的后面相应标出2、3、4……。
例：20crMnTi钢制造汽车变速箱 20crMnTi钢制造汽车变速箱 齿轮工艺路线： 齿轮工艺路线： 锻造 正火 加工齿形 局部镀 铜（防渗碳） 渗碳 防渗碳） 预冷淬火+ 预冷淬火+ 低温回火 喷丸 磨齿 20crMnTi汽车变速齿轮热处理工 20crMnTi汽车变速齿轮热处理工 艺曲线及显微组织与力学性能。 艺曲线及显微组织与力学性能。

（新）耐热钢及高温合金_

（新）耐热钢及高温合金_

（新）耐热钢及高温合金_耐热钢及高温合金耐热钢及高温合金各种动力机械，加热电站中的锅炉和蒸汽轮机、航空和舰艇用的燃汽轮机以及原子反应堆工程等结构中的许多结构件是在高温状态下工作的。

工作温度的升高，一方面影响钢的化学稳定性；另一方面降低钢的强度。

为此，要求钢在高温下应具有(1)抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化能力(2)在一定介质中耐腐蚀的能力以及足够的韧性(3)具有良好的加工性能及焊接检(4)按照不同用途有合理的组织稳定性。

耐热钢是指在高温下工作并具有一定强度和抗氧化耐腐蚀能力的钢种，耐热钢包括热稳定钢和热强钢。

热稳定钢是指在高温下抗氧化或执高温介质腐蚀而不破坏的钢种，如炉底板、炉栅等。

它们工作时的主要失效形式是高温氧化。

而单位面积上承受的载荷并不大。

热强钢是指在高温下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，如高温螺栓、涡轮叶片等。

它们工作时要求承受较大的载荷，失效的主要原因是高温下强度不够。

1 钢的热稳定性和热稳定钢一、钢的抗氧化性能及其提高途径工件与高温空气、蒸汽或燃气相接肽表面要发生高温氧化或腐蚀破坏。

因此，要求工件必须具备较好的热稳定性。

除了加入合金元素方法外，目前还采用渗金属的方法，如渗Cr、渗Al或渗Si，以提高钢的抗氧化性能。

二、热稳定钢热稳定钢(又称抗氧化钢广泛用于工业锅炉中的构件，如炉底板、马弗罐、辐射管等这种用途的热稳定钢有铁素体F型热稳定钢和奥氏体A型热稳定钢两类。

F型热稳定钢是在F不锈钢的基础上进行抗氧化合金化而形成的钢种、具有单相F基体，表面容易获得连续的保护性氧化膜。

根据使用温度，可分为Cr13型钢、Cr18型钢和Cr25型钢等。

F型热稳定钢和F不锈钢一样，因为没有相变，所以晶粒较粗大，韧性较低，但抗氧化性很强。

A型热稳定钢是在A型不锈钢的基础上进一步经Si、Al抗氧化合金化而形成的钢种。

A型热稳定钢比F型热稳定钢具有更好的工艺性能和热强性。

但这类钢因消耗大量的Cr、Ni资源，故从50年代起研究了Fe-Al－Mn系和Cr－Mn-N系热稳定钢，并已取得了一定进展。

耐热钢及耐热合金

耐热钢及耐热合金
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）
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
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：Incoloy800 『Cr20Ni32』
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）
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。

第七章 耐热钢

第七章 耐热钢

(三)锅炉受热面管子常见受热面事故的分析 锅炉受热面管子常见事故主要有长时超温爆管,短时超温爆管,材质不良 爆管及腐蚀性热疲劳裂纹损坏等.
合金的结构与相图
1. 长时超温爆管 如果锅炉受热面管子在运行过程中,因某些原因使管壁温度超过设计温度,在高温长 时间作用下,导致钢材组织结构的变化,蠕动速度加快,持久强度下降,使用寿命达 不到设计要求而提早爆破损坏,称为长时超温爆管,也有叫做长期过热爆管或一段性 过热损坏,长时超温爆管由于管壁温度还没达到临界点温度,爆管时虽然有介质的激 冷作用,还不会发生相变. 长时超温爆管一般发生在高温过热器出口段的外圈向火侧据近几年来对过热器管子爆 破事故的分析70%是由于长时超温而引起的. 长时超温爆管的破口呈粗糙脆性断口,管壁减薄不多,管子胀粗也不很显著,爆破口 附近往往有较厚的氧化铁层,如图7-1所示. 长时超温爆管的显微组织虽无相变但却有炭化物析出并聚集长大甚至有些还会出现石 墨化等组织变化,如图7-2所示.
合金的结构与相图
图7-1 20钢过热器管长时超温爆管的宏观形貌
7-2 20钢过热器管长时超温爆管的微观组织
1. 短时超温爆管 锅炉受热面管子在运行过程中,由于冷却条件的恶化,使管壁温度在短时间 内突然上升,达到临界点以上温度.在这样高的温度下钢的抗拉强度急剧下 降,在介质压力作用下温度最高的向火侧首先发生塑性形变,管径张粗,管 壁减薄,随后发生剪切断裂而爆破.爆破时,由于介质对炽热的管壁产生激 冷作用,在爆破口往往有相变的组织结构,这种爆管就成为短时超温爆管, 也有叫做短时过热爆管或加速蠕变爆管. 短时超温爆管大多数发生在水冷壁管,凝渣管上,特别是水冷壁管热负荷最 高的地方,如燃烧带附近及明喷燃器附近的向火侧. 短时超温爆破口一般胀粗较为明显,管壁减薄很多,爆破口呈尖锐的喇叭形, 其边缘很锋利,具有韧性断裂的特征.爆破口附近有时有氧化铁层,有时没 有.爆破口的这些特征是与超温爆管时产生了较大的塑性变形,使管缝减薄, 因而承受不了介质的压力而引起剪切断裂有密切关系. 短时超温爆管的过程类似作高温短时拉伸试验,在应力的作用下,先引起塑 性变形,后在局部地区出现收缩现象,最后形成剪切裂纹而产生韧性断裂.

上海材料研究所分析培训第七章不锈钢与耐热钢

上海材料研究所分析培训第七章不锈钢与耐热钢
n 加热不发生相变；有强磁；冷加工成型和焊接工艺 较差；
n 具有三种脆性倾向：475℃、相析出脆、高温脆性
2009-5-6
上海材料研究所分析培训第七章不锈 钢与耐热钢
475℃脆性
n 铁素体不锈钢在400~550℃温度范围内 长时间加热会显著降低钢的耐蚀性，并 出现脆化，即所谓475℃脆性。研究表 明，这是富铬铁素体内相变的结果。
上海材料研究所分析培训第七章不锈 钢与耐热钢
δ铁素体
n δ相是在高温区域形成的相，一般称为δ铁 素体或高温铁素体。 以区别于低温α铁素 体。δ铁素体是体心立方晶格，但晶格常数 与α铁素体不同，并表现出较高的脆性。
n 这种相主要是由于加热温度过高、高温中 停留过久、化学成分的波动或形成铁素体 与奥氏体的元素达不到平衡等原因形成的。
n 马氏体型不锈钢的热处理：淬火，淬火回火， 退火。
n 退火或高温回火 ：铁素体+ M23C6
n 淬火：
马氏体+少量δ铁素体
n 淬火+高温回火：保留马氏体位向索氏体
n 过热：晶粒粗大，大量 δ铁素体形成 n 欠热：未溶解碳化物存在
n 淬火+低温回火 ：回火马氏体
2009-5-6
上海材料研究所分析培训第七章不锈 钢与耐热钢
合金元素的作用
n 提高基体金属的电极电位 n 在室温下获得单相固溶体组织 n 表面形成结构致密、不溶于腐蚀介质、
电阻高的保护膜。
2009-5-6
上海材料研究所分析培训第七章不锈 钢与耐热钢
元素
作用
C
稳定A元素，强化M钢的重要元素，极易与其他合金
元素形成合金碳化物，导致不锈钢的晶界腐蚀。
Cr Ni Mn Ti 、Nb Al、Si

8(第七讲7耐热钢和耐热合金)

8(第七讲7耐热钢和耐热合金)

•时效析出的弥散相大多是各种类型的K和金属间化合物。
在Mo钢、V钢中加入少量的Nb和Ta元素，可 使Mo2C、V4C3的成分复杂化，稳定性更好， 使强化效果保持到更高的温度。 在镍基耐热合金中加入Co，能提高强化相 Ni3（Al、Ti）的析出温度，延缓弥散相聚集 长大的过程。
•加入难溶的弥散化合物、氧化物、硼化物、氮化物、 碳化物等，可将金属材料的使用温度提高到(0.8~ 0.85)Tm。
蠕变强度和持久强度都是反映材料高温性能的重 要指标。
蠕变强度考虑变形为主，表征材料高温下对塑性 变形的抗力。 持久强度主要考虑材料在长期使用下的断裂破坏 抗力。
（3）持久寿命 指在一定温度和规定应力作用下，从作用开始 到断裂的时间。 （4）应力松弛
•高温下工作的紧固件，在力的作用方向和零件
尺寸不改变的条件下，工作零件中应力自发降 低的过程称为应力松弛现象。简称为松弛。 •钢材的抗松弛稳定性，是选用高温状态下的 弹簧及紧固件等零部件材料的技术指标之一。
通过热处理来改变F-P耐热钢的组织，是提高蠕 变和持久强度的主要途径。 12Cr1MoV钢淬火或空冷后经740℃回火得到的强 化组织在600℃或低于600℃使用时，有足够的组 织稳定性，能保持较高的持久强度，可制作 580℃的高压过热蒸汽管及超高压锅炉锻件。
F-P耐热钢在400-580℃长期运转后易发生高温 回火脆性。
高温
组织变化
要求：
高温下的组织稳定性 强化机制在高温下的有效性
高温下要有大的热传导性，小的热 膨胀性
二、耐热钢的高温性能指标
金属在高温下长时间承受载荷时，可能出现两种 情况的失效： 在工作应力<<σ b的情况下，σ b和塑性会随载荷
时间的增长显著降低，产生断裂；

材料性能学课件第七章 材料的高温力学性能

材料性能学课件第七章 材料的高温力学性能

蠕变极限，记作
T /t
，其中T表示测试温度，
ε/t 表示在给定的时间t内产生的蠕变应变为ε。
在蠕变时间短而蠕变速率又较大的情况下，
一般采用这种定义方法。
2．持久强度
某些在高温下工作的机件，蠕变变形很小或对 变形要求不严格，只要求机件在使用期内不发生断 裂。在这种情况下，要用持久强度作为评价材料、 设计机件的主要依据。
⑷ 粘弹性机理 高分子材料在恒定应力作用下，分子链由卷
曲状态逐渐伸展，发生蠕变变形，这是体系熵值 减小的过程。当外力减小或去除后，体系自发地 趋向熵值增大的状态，分子链由伸展状态向卷曲 状态回复，表现为高分子材料的蠕变回复特性。
2．蠕变断裂机理
蠕变断裂有两种情况： 一种情况是对于那些不含裂纹的高温机件，
低温下由空位扩散导致的这种断裂过程 十分缓慢，实际上观察不到断裂的发生。
金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为： 一是在断口附近产生塑性变形，有很多裂纹，使断 裂机件表面出现龟裂现象； 另一个特征是由于高温氧化，一层氧化膜所覆盖。
微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。
三、蠕变性能指标
蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等 1．蠕变极限
在高应力高应变速率下，温度低时，金属材 料通常发生滑移引起的解理断裂或晶间断裂，这 属于一种脆性断裂方式，其断裂应变小。温度高 于韧脆转变温度时，断裂方式从脆性解理和晶间 断裂转变为韧性穿晶断裂。
在较低应力和较高温度下，通过在晶界 空位聚集形成空洞和空洞长大的方式发生晶 界蠕变断裂，这种断裂是由扩散控制的。
1. 蠕变变形机理 位错滑移、原子扩散和晶界滑动
高分子材料：分子 链段沿外力的舒展
⑴ 位错滑移蠕变机理
材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起 的。在一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动 到一定程度后，位错运动受阻发生塞积，就不能 继续滑移，也就是只能产生一定的塑性变形。

耐热钢和耐热合金

耐热钢和耐热合金
⑵危害：
使合金表面本来具有的保护作用的氧化物质遭受破坏，从而加 剧腐蚀。
⑶防止措施：
①控制或排出燃料或燃烧空气中的有害杂质，特别是Na，S；
②使用表面防护层。如：金属扩散涂层、陶瓷涂层。
耐蚀材料
7.3 其他耐热钢和耐热合金
7.3.1抗氧化钢
抗氧化钢也称耐热不起皮钢，多属于铁素体与奥氏体钢。 特点：具有良好的抗氧化性，且有一定的高温强度。
反应形式：
Me（金属）+ 1/2 O2 → MeO Me（金属）+ 1/2 S2 → MeS
耐蚀材料 ⑵钢的高温氧化结果： 钢在高温下的氧化可以形成三种氧化物：FeO 、Fe3O4 、 Fe2O3 。 在570℃以下，氧化层由Fe3O4 和 Fe2O3组成，570℃以上氧化层由 FeO 、Fe3O4 和 Fe2O3组成
7.3.3高温合金
耐蚀材料
能在高温（600～1100℃）氧化性气氛和燃气腐蚀条件下，长期承 受较大应力的合金材料。
应用：是现在航空发动机，火箭发动机以及燃气轮机必不可少的金 属材料。
钢种： 主要是高Cr 、Ni 、加Mo 、W 等。
2、高温蠕变强度
耐蚀材料
蠕变---指金属材料在一定温度下，即使所承受的应力远低于 屈服极限，也会随时间的增长而慢慢地产生永久塑性变形的现象。
蠕变极限---在给定的温度下和规定的时间内，试样产生一定 量蠕变总变形的应力值。
耐蚀材料
7.2.2应力松弛性能
1、 定义和条件
应力松弛----金属在高温和压力状态下，如果维持总变形量不 变，而随着时间的延长，应力则逐渐减少，这种现象称作应力松弛。
2、按组织分类 ：
耐蚀材料
⑴珠光体耐热钢 ----在正火状态下显微组织由珠光体加铁素体组成的一类钢。

耐热钢

耐热钢
第五章
第一节
耐热钢和耐热合金
耐热钢的工作条件及性能
第二节
第三节 第四节
合金元素对耐热钢性能的影响
耐热钢钢种 耐热合金
在高温下具有高的热化学稳定性和
热强性的特殊钢称之为耐热钢。
广泛用于制造工业加热炉、热工动 力机械（如内燃机）、石油及化工机
械与设备等高温条件工作的零件。
第一节

耐热钢的工作条件及性能
高温抗氧化性
金属的抗氧化性通常不是说其不氧化，而是其在高
温下表面迅速氧化形成一层致密的氧化膜，隔离了高温 氧化环境与钢基体的直接作用，使钢不再被氧化。一般
碳钢在高温下表面生成疏松多孔的氧化亚铁（FeO），
易剥落，且环境中氧原子能不断地通过FeO扩散至钢基
体，使钢连续不断地被氧化。
通过合金化方法，如向钢中加入Cr、Si、Al和Ni等元素 后，钢在高温氧化环境下表面就容易生成高熔点致密的且 与基体结合牢固的 Cr2O3、 SiO2、 Al2O3 等氧化膜，或与铁
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 500 表示在500℃下经10000h发生断裂的应力值。
10000
③持久寿命：表示材料在规定温度和规定应力作用下拉
断的时间。
第二节

合金元素对耐热钢性能的影响
合金元素对抗氧化性的影响
① 常用Cr、Al、Si抗氧化性元素在钢表面生成致密稳
析出相强化和晶界强化的方法，以阻碍原子扩散及位错 的运动。 由于材料在高温下，其晶界强度低于晶内强度，晶 界成为薄弱环节。可通过加入钼锆钒硼等晶界吸附元素， 降低晶界表面能，稳定和强化晶界。

耐热钢的高温强度指标

耐热钢

耐热钢

Chapter 6 耐热钢和耐热合金1.耐热钢和耐热合金是指在高温（（0.3~0.5）T 熔点）下工作并具有一定强度和抗氧化、耐腐蚀能力的金属材料。

2.分类：⑴耐热钢按合金元素多少通常可以分为两类：①在低合金结构钢基础上发展起来的低合金铁素体-珠光体型热强钢；②在不锈钢基础上发展起来的高合金专用耐热钢。

⑵专用耐热钢按对使用性能的要求可以分为热强钢和热稳定钢。

⑶耐热合金按基体元素分类:铁基耐热合金；镍基耐热合金;钴基耐热合金。

⑷按制备工艺分类：变形耐热合金，铸造耐热合金和粉末冶金耐热合金。

⑸按强化方式分类：固溶强化型、时效沉淀强化型。

6.1耐热钢和合金的工作条件及性能（了解）一、耐热钢和合金的工作条件及性能要求⑴工作条件：在高温下承受各种载荷⑵性能要求：良好的高温强度及塑性；有足够高的化学稳定性。

二、高温强度指标⑴蠕变强度⑵持久强度⑶持久寿命三、合金元素对化学稳定性的影响⑴Cr、Al、Si改善钢的高温化学稳定性。

（①提高FeO出现的温度②致密的Cr2O3或Al2O3保护膜）⑵稀土金属或碱土金属提高钢的抗氧化能力⑶※W或Mo降低钢和合金的抗氧化能力，降低化学稳定性。

⑷H降低化学稳定性。

四、抗氧化和气体腐蚀能力级别：完全抗氧化；抗氧化；次抗氧化；弱抗氧化;不抗氧化。

五作业：1、高温强度指标有哪些？2、合金元素对钢的化学稳定性有哪些影响？6.2 铁素体型耐热钢1.耐热钢按显微组织可分为奥氏体型和铁素体型两大类。

2.铁素体型耐热钢：铁素体-珠光体耐热钢、马氏体耐热钢和铁素体耐热钢。

一、铁素体-珠光体耐热钢1. 典型钢种及应用12Cr1MoV（※※分析各合金元素的作用）、12Cr2.25Mo1、15CrMo和12Cr2MoWSiVTiB等。

2．成分特点及合金元素作用⑴低碳，一般为0.08%~0.20%：①使钢基体组织保持有大量的铁素体，利用铁素体的高熔点和组织稳定性的特点获得良好的耐热性；②而且使钢中碳化物数量相对较少，钢中的珠光体不易发生球化。

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Fe2O3
O2
570 ℃以上Fe氧化膜示意图
（二）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
600～650 ℃使用 800 ℃ 950 ℃ 1100 ℃ 5 ％ Cr 12 ％ Cr 2 0％ Cr 2 8％ Cr
航空发动机涡轮盘
第五节 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
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
（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
热电厂水冷壁管在炉内整体形貌
2.化学成分特点
低的含碳量：0.08-0.2％
（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Fe2O3＋Fe3O4组成，但 超过570 ℃主要由FeO＋Fe3O4+Fe2O3组成， 而FeO是缺位固溶体，氧原子能自由进入
Fe
FeO
Fe3O4
二、Ni高温合金的分类
1. 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：1040-1230℃ (2)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
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
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
（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 Fe3C＝3Fe＋G（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
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：高碳，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， 4Cr10Si2Mo 奥氏体排气阀用钢4Cr14Ni14W2Mo
第七章 耐热钢和耐热合金
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
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第一节 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
1级石墨化，现象不明显， 游离碳占20%左右。
2级明显石墨化，游离碳占 40%左右。σb降低30%，
（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（钢中加入Cr，Mo，W 等，提高原子结合能力，使扩散困难） 加入Ti，V，Nb等强碳化物形成元素
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
一、铁素体型抗氧化钢
常用铁素体型抗氧化钢
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， 800-850℃ Cr18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
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 Fe基为耐热钢 Ni 、Co基、难熔金属 (Mo、Nb、Ta )基为 耐热合金 Fe基耐热钢按组织分 α-Fe基耐热钢：p耐热钢，M耐热钢， F耐 热钢(抗氧化钢) γ-Fe基耐热钢：A耐热钢
第二节 抗氧化钢
（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。
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 应具备的基本性能 优良的高温力学性能 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
汽轮机转子
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）
二、碳化物沉淀强化型
1. 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； 2. 特点：以碳化物为沉淀强化相 3. 热处理：铸态使用或锻轧后经固溶处理＋时 效处理后使用
4. 代表钢种：4Cr25Ni20（HK40） 5Cr25Ni35（HP） 5Cr25Ni33NbW 5. 组织特点：M7C3，MC为骨架强化晶界 6. 用途：石化装置 600-1050℃ 载荷不高
二、马氏体耐热钢
叶片用钢
内燃机排气阀用钢
汽轮机叶片
（一）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
（二）内燃机排气阀用钢
第四节 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α-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γ-Fe基 奥氏体耐热钢或耐热合金 γ-Fe基奥氏体耐热钢比α-Fe基耐热钢具有更高的 热强性，原因在于： 1. γ-Fe晶型的原子间结合力比α-Fe大； 2. γ-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 α-Fe再结晶温度为450－600 ℃。
（二）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
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。 （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，适当增加晶粒度，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
4.低碳珠光体耐热钢热处理 一般在正火状态使用组织是珠光体＋铁素体
如果性能要求高的话，Βιβλιοθήκη 用正火＋高温回火 使组织稳定性更好。
(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 代表钢种 24CrMoV，25Cr2MoVa，35CrMo（V）等
Al，Si元素
Cr- Al， Cr- Si， Cr- Al- Si
□
La、Ce、Y等也是常用抗氧化元素
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