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* 第六章 耐热钢及高温合金 引言 钢的热稳定性及热稳定钢 金属的热强性 热强钢 ? 第六章 耐热钢 引言 耐热钢概念：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。 各种动力机械，如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结构件是在高温状态下工作。 要求钢在高温下应具有： 抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化性能； 在一定介质中耐腐蚀的能力以及足够的韧性； 具有良好的加工性能及焊接性； 按照不同用途具有合理的组织稳定性。 主要包括: 热稳定性钢：高温下抗氧化、抗高温介质腐蚀的钢种。炉底板、炉栅 失效形式为高温氧化，承载不大。 热强钢：高温下具有一定抗氧化性并具有足够的强度而不产生大量变形和断裂的钢种。高温螺栓、涡轮叶片 第六章 耐热钢 引言 第六章 耐热钢 第一节 钢的热稳定性和热稳定钢 一、钢的热稳定性及其提高途径 钢的热稳定性是指钢在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀的能力。 钢的抗氧化性高低一般用单位时间、单位面积上氧化后质量增加或减少的数值表示，单位为g/m2。 质量增加常用于冷却后氧化物仍然紧密附着在金属表面上的材料，如高合金钢的氧化。 质量减少常用于碳钢、低合金钢或氧化物容易剥落的材料。 减小质量或增加质量的程度越小，钢的稳定性越高。 提高钢热稳定性的合金化原理 含碳量：在0.1~0.2%左右，碳过高会形成Cr23C6等碳化物，妨碍钢表面氧化膜的连续性 主加元素：Cr, Ni, Mn，目的是形成单相组织，提高基体电极电位，形成钝化膜，其中Cr是最主要的提高钢抗氧化性的元素 辅加元素：Al, Si等，形成Al2O3, SiO2等钝化膜，但含量不能太高，否则会增加钢的脆性 第六章 耐热钢 第一节 钢的热稳定性和热稳定钢 第六章 耐热钢 第一节 钢的热稳定性和热稳定钢 二、主要钢种 1. 铁素体型热稳定性钢 在铁素体不锈钢基础上加入Si, Al，进一步提高钢的抗氧化性 钢种：Cr13Si3, Cr18Si2, Cr25Si2, Cr13SiAl等 特点：抗氧化性很好，但晶粒粗大，韧性低 用途：低于800~1000 ?C下工作的炉用构件 第六章 耐热钢 第一节 钢的热稳定性和热稳定钢 二、主要钢种 2. 奥氏体型热稳定性钢 （1）在奥氏体不锈钢基础上加入Si, Al，如Cr18Ni25Si2等 特点：工艺性能好，抗氧化性好，热强性好，但太贵了 使用温度达到1100 ?C的炉用构件、渗碳箱等 （2）Fe-Al-Mn型（无铬镍抗氧化钢），如6Mn18Al5Si2Ti 特点：便宜，但抗氧化能力较差 使用温度达到950 ?C的炉用构件 （3）Cr-Mn-N型，如Cr20Mn9Ni2Si2N 特点：工艺性能好，抗氧化性好，承载能力均较好 使用温度850~1050 ?C的炉用构件 第六章 耐热钢 热强性：钢在高温和载荷共同作用下抵抗塑性变形和 破坏的能力。 一、高温下金属材料的力学性能 热强性包括材料高温条件下的瞬时性能和长时性能。 瞬时性能：加热到一定温度，保温一定时间（使试样热透）后的力学性能。如高温拉伸、高温冲击和高温硬度等。 长时性能：材料在高温及载荷共同长时间作用下所测得的性能。常见的性能指标有蠕变极限、持久强度、应力松弛、高温疲劳强度和冷热疲劳。 第二节 金属的热强性 1. 蠕变 ：材料在一定应力作用下缓慢地产生塑性变形的现象 第六章 耐热钢 第二节 金属的热强性 一、高温下金属材料的力学性能 2. 蠕变 蠕变机制 （2）位错运动 （3）晶界滑动 （4）扩散形变 （1）基体软化 第六章 耐热钢 第二节 金属的热强性 一、高温下金属材料的力学性能 1. 蠕变 蠕变极限：高温及长期载荷作用下材料的塑性变形抗力指标，有两种表示方法： 一定温度下，使试样产生规定蠕变速率的应力值 一定温度下，在规定的时间t内使试样产生一定蠕变伸长的应力值 2. 持久强度 在给定温度下，恰好使材料经过规定时间发生断裂的应力值 第六章 耐热钢 第二节 金属的热强性 二、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 影响耐热钢的软化因素。随着温度的升高，钢的原子间结合力降低，原子扩散系数增大，从而导致钢的组织由亚稳态向稳定态过渡。 形变断裂方式的变化。低温时 滑移方式；高温时 滑移、扩散形变及晶界的滑动与迁移 第六章 耐热钢 第二节 金属的热强性 2、钢热强性的提高途径 （1）阻碍基体软化过程 提高钢的回复和再结晶温度 ?-Fe的再结晶温度为450~600 ?C， ?-Fe再结晶温度为800 ?C 阻碍原子的扩散 选择原子排列密集的结构 奥氏体钢 912?C时，?-Fe的自扩散系数是?-Fe的240倍 Ni在?-Fe中的扩散系数比在