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第八章耐热钢和高温合金

耐热钢是在高温下具有较高强度和良好抗氧化性能

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的合金钢。高温合金是指，在高温下（600-1100C）能

承受一定应力并具有抗氧化性、耐腐蚀且合金元素含量

很高的金属材料。

高温合金的性能要求和耐热钢相同，但对热强性和

组织稳定性以及抗高温氧化性能的要求比耐热钢更高、

更严格。

耐热钢和高温合金对航天、航空和核工业的发展起

着重要的推动作用。

核电站的回路管道、蒸发器传热管、元件格架和活

性区托架等，都是由耐热、耐蚀合金制作的，所以它的

质量和性能直接关系到反应堆的安全和寿命。

8.1耐热钢

1.耐热钢的性能要求

1)由于高温要引起表面的剧烈氧化、腐蚀，所以要有抗氧

化性(耐热不起皮性)。

2)由于高温应力及高温强化机制变化，钢材会发生蠕变。

所以要有高温下抗蠕变性，长期和短期的热强性，小的

缺口敏感性，抗热松弛和热疲劳性等。

3)由于高温引起组织不断变化，所以要有高温下的组织稳

定性的有效性。

4)在高温温度场中要有大的传导性，小的膨胀性。

5)好的铸造性、锻造性、焊接性，好的成批生产和经济性。

理想的耐热合金应具备：

（1）高的再结晶温度、析出相聚积长倾向小；

（2）较高的蠕变极限和持久强度；

（3）良好的抗氧化和抗蚀性能；

（4）容易冶炼和加工及铸、锻、焊性能好；

（5）成本低廉。

2.耐热钢的合金化措施

1）提高热强性的途径

(1)固溶强化：提高合金基体的原子问结合力，强化基体。

金属的原子结合力越强，则熔点越高，耐热钢的使用温度越高，

因此就要选择熔点越高的金属作基体。工业上铁基、镍基、钴基

耐热合金的熔点依次升高。金属或合金的晶格类型与晶体中原子

结合力有关，铁基合金中，面心立方点阵比体心立方点阵原子间

结合力强。奥氏体型耐热钢比铁素体型、马氏体型、珠光体型耐

热钢的蠕变抗力高。对已选定基体的耐热钢可以通过固溶强化提

高原于间结合力，提高蠕变极限。同时，由于固溶元素与整体元

素原子尺寸不同，在晶体中造成局部的点阵畸变和应力场，导致

溶质原于在位错附近形成“气团”，从而增加了位错运动阻力，提

高了蠕变抗力。合金元素使固溶体中原子间结合力提高，往往也

使原子的扩散激活能提高，导致再结晶温度提高，提高蠕变抗力。

如：利用W、Mo、Cr、Mn等元素提高热强性。

金属W、Mo的熔点高，溶入固溶体后，可增强原

子间的结合力，阻碍扩散，提高基体的再结晶温度。

所以高温合金中多半都含有这些元素。

(2)晶界强化：晶界在高温下强度低，所以在耐

热钢中采用“适当地粗化晶粒”强化，晶粒数适当减

少，晶界面相应减少，薄弱的晶界总数也就减少了。

同时，对现存晶界进一步强化，达到提高蠕变抗力的

作用。强化晶界大致有两个方面。

净化晶界。钢中加入B、稀土等化学性质活泼元

素，与低熔点元素化合(如与S、P元素化合)，形成高

熔点稳定化合物，在结晶过程中作为晶核，使其由晶

界转入晶内，从而净化晶界．提高了晶界强度。

填充晶界上的空位。晶界处空位较多，使扩散易

于进行，裂纹易于扩展。加入原子半径小于Fe、Cr，

大于C、N的B，固溶于基体，引起大的点阵畸变。晶界

空位间隙大于晶内，B填充到晶界空位上，有利于降低

晶界能量，提高蠕变抗力。

低温时晶内强度小于晶界强度，高温时则相反，

为了增加高温时的晶界强度，常添加Nb、Ca、Mg、

Al等活泼元素，以便它们与P、S或低熔点元素形成稳

定的化合物后，可使晶界上杂质偏聚减少，进而提高

晶界强度。另外还添加B、Ti、Zr等表面活化元素，因

为它们能够充填晶界空位，阻碍晶界原子扩散，提高

蠕变抗力。

（3）弥散强化。加入合金元素，在钢中形成大量

的碳化物或金属间化合物相．使其在时效处理时呈弥

散析出，形成稳定相，在高温下保持对位错运动的机

械阻碍作用。在纯金属或固溶体基体中加入难溶的弥

散化合物、氧化物、硼化物、碳化物、氮化物等，由

于这类弥散相具有高稳定性，可将金属材料的使用温

度提高到熔点温度的80％一85％。

合金化措施

为