耐热钢与耐热合金.ppt

第六章 耐热钢与耐热合金第一节 工作条件及性能要求1.工作条件高温下承受载荷与高温蒸汽、空气、燃气接触 表面发生氧化、腐蚀高温下原子扩散，引起组织转变2.性能要求良好的高温强度、塑性足够高的化学稳定性（1）高温强度 高温强度三种指标：蠕变：钢和合金在温度和应力作用下发生连续而缓慢的变形。组织变化是蠕变的内因蠕变强度：表示在某温度下，在规定时间达到规定变形时所承受的压力。持久强度：表示在规定温度、规定时间断裂所承受的压力。持久寿命：表示在规定温度、规定应力作用下拉断所需的时间。（2）高温氧化高温下钢与空气接触将发生氧化，生成氧化膜。575以下，钢表面生成Fe2O3和Fe3O4层。575以上，钢表面出现FeO层，中间层为Fe3O4，外表层为Fe2O3氧化膜的生成依靠离子扩散，由于铁离子半径比氧离子小，因而氧化膜的生成主要靠铁离子向外扩散。当FeO出现时，钢的氧化速度剧增 FeO为铁的缺位固溶体，铁离子有很高的扩散速率 因而FeO层增厚很快，Fe2O3和Fe3O4层较薄提高抗氧化性的关键是阻止FeO出现 形成稳定而致密的氧化膜，使铁、氧离子的扩散速度减慢，并使膜与基体牢固结合 添加合金元素铬、铝、硅可以明显降低氧化速度，提高FeO出现的温度，改善钢的高温化学稳定性。1.03wCr可使FeO在600出现；1.14Si使FeO在750出现；1.1Al+0.4Si可使FeO在800出现。铬、铝可在钢表面生成FeOCr2O3或FeOAl2O3保护膜；硅可生成Fe2SiO4氧化膜，都具有良好的保护作用。铬是提高抗氧化的主要元素，铝也具有较强的抗氧化能力，硅能增加脆性，加入量受到限制。钨、钼能降低钢的抗氧化能力，贴着金属生成MoO3和WO3，具有低熔点和高挥发性，破坏抗氧化能力。耐热钢和耐热合金的抗氧化和气体腐蚀能力分为五级：腐蚀速度腐蚀速度 等级等级 0.1mm/a 完全抗氧化 0.11.0mm/a 抗氧化 1.03.0mm/a 次抗氧化 3.010.0mm/a 弱抗氧化 10.0mm/a 不抗氧化第二节 铁素体型耐热钢根据显微组织，耐热钢可分为铁素体型和奥氏体型两大类。铁素体型耐热钢铁素体型耐热钢一般在350650范围工作1.铁素体-珠光体耐热钢 多用于锅炉蒸汽管道，在450620蒸汽中长期使用。（1）强化方法 固溶强化、沉淀强化（碳化物）固溶强化元素有钨、钼、铬。钨、钼能增强基体原子间结合强度，提高再结晶温度，显著提高基体的蠕变抗力。铬含量小于0.5时固溶强化作用较强，含量再增加则强化作用增加很少。碳化物沉淀强化作用以MC型最高，M2C、M6C次之，M7C3型则降低钢的蠕变强度，原因是容易聚集长大。沉淀强化以铌、钛、钒为主，VC/TiC/NbC当V/C=4,Nb/C=8,Ti/C=3时，V、Ti、Nb与C全部形成MC，达到最佳的沉淀强化效果，具有最高的蠕变抗力。当其比例小于各自的数值时，有剩余碳存在，与钨、钼形成M2C或M6C型碳化物。当其比例大于各自的数值时，过剩的V会降低基体的蠕变抗力；过剩的Nb、Ti与Fe形成AB2相，聚集长大速度较高，对蠕变强度不利。（2）显微组织对蠕变强度的影响热处理不同，显微组织不同。以12Cr1MoV钢为例。980奥氏体 炉冷 铁素体+珠光体 空冷 粒状贝氏体+少量铁素体、马氏体 淬火 马氏体 持久强度持久强度 塑性塑性铁素体+珠光体 低 高粒状贝氏体 中 低马氏体 高 中马氏体钢高持久强度的原因：钢淬火回火后，VC沉淀在位错上，阻碍再结晶。2.马氏体耐热钢以Cr12型钢居多，可做570汽轮机转子，可用于593、蒸汽压3087MPa的超临界压力大功率火力发电机组。Cr12型钢中加入钨、钼，只形成单一的(Cr、Mo、W、Fe)23C6，具有沉淀强化作用，消除了Cr7C3。加入钒或铌，析出VC或NbC，起沉淀强化作用。第三节 奥氏体型耐热钢铁素体型耐热钢在600650下蠕变强度明显下降。奥氏体型耐热钢，具有面心立方结构，在650以上具有较高的高温强度。1.碳化物沉淀强化耐热钢沉淀强化相是MC型碳化物，以VC、NbC为主。当V、Nb与C的比例正好和VC、NbC的化学式相等时，具有最佳的高温强度。另一种碳化物M23C6，不起沉淀强化作用。2.金属间化合物沉淀强化耐热钢钛、铝、镍形成金属间化合物-Ni3(TiAl)，是主要沉淀强化相。-Ni3(TiAl)点阵常数与奥氏体相近，与奥氏体形成共格，产生沉淀强化。1.0 2.0 3.0 4.04.03.02.01.0+Ni2AlTi+Ni2AlTi+NiAlTi+Ni2AlTi+NiAlTi胞状沉淀w(Ti)%Fe-15Cr-25Ni钢时效沉淀相的相区与铝钛含量的关系w(Al)%Al控制在一定含量，不超过0.40%。铝极低时，相不稳定，会转变成-Ni3Ti，胞状沉淀。铝含量若过高，还会出现Ni2AlTi相，其稳定性差，易聚集长大，不能做沉淀强化相。w(Ti)1.4%，才能产生相。w(Ti)提高到2.32.4%，-Ni3(TiAl)相数量增加，可获得最大的强化效果。但当钛含量较高时，易产生缺口敏感性。产生沉淀强化最适宜的钛含量为2.15%。第四节 镍基耐热合金铁基耐热合金的最高工作温度只能达到750850，在更高温度下使用的是镍基耐热合金。基体是Cr20Ni80，加入大量合金元素。1.沉淀强化相元素Al、Ti镍基耐热合金采用金属间化合物作为沉淀强化相，主要采用的是-Ni3(TiAl)相。-Ni3(TiAl)相的稳定性与Al/Ti比有关。当Al/Ti小于1，就会出现-Ni3Ti相。因此，不仅要增加Al、Ti含量，还要增加Al/Ti比值，以增加相的稳定性。-Ni3(TiAl)相对合金的强化表现在两方面，一是共格强化，二是反相畴界强化。共格强化：相与镍基固溶体有相同的点阵类型、相近的点阵常数，析出的相与固溶体形成共格。但相的点阵常数稍大于固溶体，形成共格界面时存在匹配差，因而在界面周围的固溶体中产生畸变应力。畸变应力场阻碍位错运动，提高了屈服强度。反相畴界强化：在高Al/Ti比的镍基合金中，相的体积分数可高到6070。其沉淀强化主要靠相在位错切割时形成反相畴界强化。当位错切割相时，使滑移面上下的原子改变了原来有序的相邻关系，形成了新的高能量的反相畴界，位错的移动需要更大的外力。2.固溶强化元素钨、钼、铬 铬还能明显提高抗氧化性。500700空气中表面生成致密的Cr2O3膜，在8001000，基体上是Cr2O3，外层是NiO Cr2O3。具有尖晶石结构，很致密。3.杂质元素 低熔点金属如铅、锑、锡、铋等，强烈降低晶界的强度、高温冲击韧性和高温塑性。杂质元素偏聚于晶界，降低了晶界原子扩散激活能，使镍合金的持久寿命强烈降低。解决方法：a-提高镍基合金的纯净度 b-加入特殊添加剂硼：偏聚于晶界，提高扩散激活能。稀土金属铈、镧、锆：与杂质金属元素形成难熔化合物。碱土金属钙、钡：对H、O、N、S有良好的净化作用，有效改善持久塑性和热塑性。