第6章耐热钢和耐热合金案例.ppt

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。 一、耐热金属材料的工作条件和性能要求 工作条件： 高温、高应力以及高温氧化性或腐蚀性介质中工作。 如：石油化工设备的高温工艺管线、反应塔和加热炉、火力发电设备的汽轮机和锅炉、汽车和船舶的内燃机、航天航空工业的喷气发动机和火箭发动机等都是高温装置。 失效类型有： 蠕变、热疲劳和热腐蚀等。 性能要求： 优良的高温化学稳定性和高温力学性能，此外还应考虑高温下的有关物理性能（如热传导性、热膨胀性等）及良好的加工工艺性能等。 第1节 耐热金属材料的工作条件及性能特点 1.普通钢的高温氧化 二、耐热钢的抗氧化性 在高温下的化学稳定性，依照其用途不同有不同要求：例如 ● 在氧化性环境中不氧化不脱碳； ● 在渗碳性气氛中不渗碳； ● 在含有钒、钠、硫的燃烧气体中不发生强烈腐蚀等。 但其在高温下的化学稳定性最基本且最重要的是抗氧化性。 抗氧化并不是说在高温下完全不被氧化，而通常指在高温下迅速被氧化后在表面形成一层连续、致密、牢固附着的氧化薄膜，保护材料不再继续被氧化。 评定材料抗氧化性方法－重量法： 用单位时间、单位面积上氧化后重量增加或减少的数值来表示。又分减重法和增重法。减重法常用于碳钢、低合金钢或氧化物容易剥削的材料，增重法常用于冷却后氧化物仍紧密附着在金属表面上的材料。 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1:10 :100， FeO中铁原子有空位，铁原子易通过而扩散，且结构疏松易破裂。 因此，欲得到抗氧化钢，就要形成具有致密晶格、连续、牢固附着的氧化物层。 2. 提高钢抗氧化性的途径 主要采取合金化的方法。一般加Cr、Al、Si，它们与O亲和力比Fe大，选择性氧化形成结构致密、稳定、与基体结合牢固的Cr2O3、A12O3、SiO2氧化膜。抑制或避免疏松FeO生成和长大，起保护作用，使钢不发生继续氧化。 铬：提高钢抗氧化性的主要元素。在600-650℃ Cr5％、800℃ Crl2％、 950℃ Cr20％、1100℃ Cr28％才满足抗氧化性。 Al、Si:也是提高抗氧化性有效元素，但增加钢的脆性，因此很少单独加入， 常常和Cr一起加入。 Ni、Mn：对钢的抗氧化性能影响较弱。 C、N：固溶时对钢的抗氧化性影响不大；形成化合物时防碍钢表面氧化膜连续性，因而↓钢的抗氧化性。 Mo、V：生成氧化物熔点较低，使抗氧化性变坏。 稀土元素：↑钢的抗氧化性。主要是由于稀土元素可消除高温下晶界优先氧化现象。 除了加入合金元素外，还采用渗金属方法，如渗铝、渗铬或渗硅等以提高钢的抗氧化能。 三、耐热金属材料的热强性（高温强度） 1.金属高温下的力学性能特点 ●高温下金属抗拉强度、屈服强度显著↓，且随温度和载荷时间↑而逐渐↓。 常温下其强度与时间无关 ●高温下金属断裂形式也发生变化。低温穿晶断裂(韧性断裂)→高温的晶间断裂(脆性断裂)。 原因：金属强度是由晶粒和晶界强度组成的。温度↑，晶内、晶界强度都↓，但晶界缺陷多，原子扩散较晶内快，强度比晶内↓快。晶内强度和晶界强度相等的温度称等强度温度。加载速度↓，扩散时间保证，等强温度↓。 ● 热强性是指耐热钢在高温和载荷作用下，抵抗塑性变形和破坏的能力，包括材料在高温下瞬时性能和长时性能，不能用室温下的σ0.2和σb作设计依据。 瞬时性能是指在高温条件下进行常规力学性能试验所测得的性能指标，如高温拉伸、高温强度和高温冲击等，只能作为选材的一个参考指标。 长时性能是指材料在高温及载荷共同长时间作用下所测得的性能指标，包括蠕变极限、持久强度、应力松弛、高温疲劳强度和冷、热疲劳等(详见材料力学性能)，是评定高温材料必须的性能指标。 2. 提高钢的热强性途径 主要三个途径：基体强化、第二相沉淀强化、晶界强化。 基体强化 ↑提高基体金属原子间结合力，↓固溶体扩散。 ● 熔点高、自扩散系数小，↑再结晶温度的合金元素固溶于基体。 ● A