Chapter 6 耐热钢和铁基耐热合金
耐热钢及高温合金
第六章 耐热钢和高温合金
§6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢 §6.2 金属的热强性 §6.3 α-Fe基热强钢 §6.4 γ -Fe基热强钢
2021年3月14日星期日
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第六章 耐热钢和高温合金
§6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢
耐热钢：高温下具有高的热化学稳定性(抗腐
蚀和耐腐蚀性能)和热强性的特殊钢。
700 表示
0.2 /1000
700℃下经1000h产生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 10000
表示在500℃下经10000h发生
断裂的应力值。
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第六章 耐热钢和高温合金
§6.2 金属的热强性
一、高温下金属材料力学性能特点 热强性：
温升，原子结合力下降，扩散系数加大，组 织由亚稳定态向稳态转变。如第二相集聚长大等 B、形变断裂方式变化
低温滑移；高温有滑移、扩散变形、晶界 滑动和迁移 C、断裂失效 金属常温断裂：穿晶断裂（晶内强度大于晶界强度） 金属高温断裂：晶间断裂（原子扩散加速）
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第六章 耐热§5钢特和殊高性温能合钢金
原理：长时间稳定难长大，高温弥散态
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第六章 耐热钢和高温合金
§6.2 金属的热强性
2、提高钢的热强性途径
③晶界强化 减少高温下晶界转动 途径： 减少晶界：控制钢晶粒度（难滑移，塑变抗力提高） 净化晶界：微量元素硼(B)与稀土(RE)元素，高熔点晶核， 长大进入晶内，起净化晶界。
种类：
1、热稳定钢 高温下抗氧化或抗高温介质腐 蚀而不破坏的钢种。
金属材料学-第6章 耐热钢和耐热合金
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)、5Cr25Ni35(HP)
组织特点 M7C3、MC为骨架强化晶界
用途 石化装置，600~1050℃，载荷不高
4Cr25Ni20（HK40）铸态组织
三、金属间化合物沉淀强化型
4、热处理
适当增加晶粒度，减少晶界数量，改善强 化相分布状态，调整基体与强化相成分，↑珠 光体热强钢的蠕变强度
6.1.3 耐热钢的合金化
Cr：↑钢抗氧化性主要元素。形成致密而稳定的 Cr2O3 。 T↑ ， Cr↑ 。 如 600~650℃ ， 需 要 5%Cr ；800℃时，为12%Cr。↑固溶强化。
形 成
570℃以下，氧化膜由Fe2O3和Fe3O4组成； 570℃以上，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO
规
氧化物组成，约1:10:100.
律
570℃以上铁的氧化过程大大地加速，遵守
抛物线规律
Fe
FeO
Fe3O4 Fe2O3 O2
570 ℃以上Fe氧化膜示意图
二、提高钢抗氧化性的途径
1、提高钢氧化膜稳定性
↑FeO的形成温度;
途 径
形成稳定铁氧化膜 或复合氧化膜 →Cr、Al、 Si。
如：1.03％Cr，FeO形成温度为600℃；
例
1.14％Si ，FeO形成温度为 750℃；
子
2.2％Al+ 0.5％Si ，FeO形成温度为 850℃；
2、形成致密、稳定的氧化膜
↑Cr、Al、Si、Ti等，逐步形成以合金元 素氧化物为主或合金元素氧化物的氧化膜，
二、气阀钢
工作环境：700-850℃，燃气中含有Na，S，V 等气体和盐类介质
第六章 耐热钢.ppt
y=Kt+A 氧化速度为一恒定值
y——氧化膜厚度；t——时间；K、A——常数
（2）抛物线关系
氧化膜覆盖金属表面，膜层中可进行离子的扩散，如Fe、Co、Ni、 Cu、Mn等形成的氧化膜。y2=Kt+A
（3）对数规律
氧化膜不仅覆盖金属表面，而且膜层中离子扩散较困难，如Cr、 Al、Si等元素形成的氧化膜。y=lnKt
6.2 热强钢
(2) 合金化
在Cr13型马氏体不锈钢的基础上进一步合金 化发展了Cr12型马氏体耐热钢。
15Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等，工作 温度可在600℃左右。
常用于大功率火力发电机组。
6.2 热强钢
① W、Mo：生成(Cr、Mo、W、Fe)23C6合金碳化物，产生一定 的弥散强化作用。
高温和高压
高温烟气和 水蒸汽
安全可靠
抗氧化和耐蚀 组织稳定
工艺性能好
6.2 热强钢
普通
组织不稳定，如片状P球化、K长
问题
大、G化，→强度↓，管子爆裂。
珠光体热强钢在长期高温作用下，其中的片状碳化物转变成 球状，分散细小的碳化物转变成大颗粒的碳化物。这种组织的 转变将导致钢的软化，使蠕变极限、持久强度和屈服强度的降 低。
6.2 热强钢
2、中碳珠光体型热强钢（紧固件用珠光体热强钢）
常用钢：35CrMoV、25Cr2MoV钢常用作中压汽轮 机的螺栓和螺母材料，25Cr2Mo1V钢在高压电 厂中广泛使用。
3、转子用钢
6.2 热强钢
主轴、叶轮
或整锻转子 转
过热蒸汽，复杂应力 （扭、弯、热等）
子
热强性，沿轴向、径向均匀一致的
Mo、W的比例影响到钢的强度和韧性: Mo高W低，则有高的韧度和塑性，但蠕变强度较低； W高Mo低，则有高的蠕变强度而塑性和韧性较低。 ② V、Ti、Nb 形成MC型复合碳化物，更稳定，使绝大部分Mo、W进入固 溶体，可提高热强性和使用温度。 ③ Ni：1%~2%，扩大奥氏体相区，保证淬火时得到单相奥氏体。 ④ N：增加沉淀强化相数量，有利于加强沉淀强化效应。 ⑤ B：强化晶界，降低晶界扩散，也有利于提高钢的热强性。
第六章 耐热钢和耐热合金.ppt
可查
钨、钼、铬在镍基合金中能提高原子间结 合力，减缓扩散，起固溶强化作用。铬的 另一个主要作用是提高镍基合金的抗氧化 性。
钴 溶 于 γ′ 相 ， 形 成 γ′- （ Ni ， Co ） 3 （Al,Ti）相，提高其稳定性，并增加γ′ 相的数量。
钛和铝在时效过程中能析出金属间化合物γ′相 为主要沉淀强化相。铬主要是提高钢的化学稳定 性。钼主要起固溶强化作用。硼可产生晶界强化 并提高持久塑性。
合金元素溶于基体金属中形成固溶体而使金属强 化,称为固溶强化
通过热处理可对GH132（A-286）钢的 显微组织和性能加以控制。通常在 980~1000℃固溶处理，可获得合适的 晶粒度，并使成分均匀，得到较高的室 温伸长率、成型性和焊接性。时效温度 在700～760℃，可达到最大的沉淀强 化效果。γ′-Ni3（Ti，Al）以极细小的 球状颗粒分布在基体上，与基体保持共 格。
第四节 奥氏体型耐热钢
最常用的钢种是1Crl8Ni9Ti。它和 Cr13一样，既是不锈钢又可作耐热 钢使用。其热化学稳定性和热强性 都比珠光体和马氏体耐热钢强，工 作温度可达750℃～800℃。常用于 制造一些比较重要的零件，如燃气 轮机轮盘和叶片等。
实际上，在650℃或更高温度下工作的 零件，铁素体型耐热钢已经不能使用了， 这是由于体心立方点阵的基体中原子的 扩散很强烈，碳化物聚集长大的速度非 常快，因而钢迅速软化。奥氏体耐热钢 （如 1Cr18Ni9Ti）在650℃时高温强 度也很低。
与常规法生产相比，粉末合金可节省大量机加 工切削量，成材率高，节约费用。粉末高温合 金已用于先进型号发动机上的涡轮盘、压气机 盘等重要零件上。
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。
耐热钢及耐热合金
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6章 耐热钢和耐热合金
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。
四、耐热钢及耐热合金的分类
P耐热钢 Fe 为基的耐热钢 M耐热钢 F抗氧化钢 A耐热钢 Fe为基的耐热钢 A抗氧化钢 镍基耐热合金：以Cr 20 Ni80合金为基础发展起来的，类似的还有钴基合金 Mo基 Ta基 难熔金属耐热合金 Nb基 金属陶瓷
化学成分及热处理：
C高于低碳珠光体热强钢。为↑淬透性和回火稳定性，以Cr、Mo为主适量加 Ti、Nb、V、B等，含量稍高。如25Cr2MoVA、20Cr1Mo1VNbTiB等。
淬火＋高温回火
叶片钢：汽轮机叶片，工作温度450～620℃ 二、马氏体耐热钢 阀门钢：汽车、内燃机排气阀，工作温度700～850℃
第6章 耐热钢
（三）工业炉用耐热钢
Fe-Al-Mn炉用耐热钢 Fe-Al-Mn炉用耐热钢 γ+少量 少量α 工作温度900 γ+少量α，工作温度900 ℃ 左右 Cr-Mn-C-N炉用耐热钢 （ γ组织 ） Cr-MnCr19Mn12Si2N， Cr19Mn12Si2N， Cr20Mn9Ni2Si2N 可用于850 1000℃的工业炉用耐热件 850可用于850-1000℃的工业炉用耐热件 高Cr-Ni奥氏体炉用耐热钢 Cr-Ni奥氏体炉用耐热钢 1000-1200℃长期工作 1000-1200℃长期工作 ，3Cr18Ni25Si2
最基本的要求： 最基本的要求：
高的高温强度、高温疲劳强度（及塑性） 热强钢 高的高温强度、高温疲劳强度（及塑性）—热强钢 高的高温化学稳定性（特别是抗氧化性能） 热稳定钢 高的高温化学稳定性（特别是抗氧化性能）—热稳定钢 良好的工艺性能及物理性能。 良好的工艺性能及物理性能。
耐热钢的高温性能指标 1. 蠕变及蠕变强度
加入合金元素，形成稳定而致密氧化膜。 加入合金元素，形成稳定而致密氧化膜。
2. 合金元素对钢的氧化速度的影响
氧化膜的结构要求：稳定、致密、与基体结合紧密。 氧化膜的结构要求：稳定、致密、与基体结合紧密。 加入Cr, Al等 Cr、Al可单独加入 可单独加入， 加入Cr, Si, Al等， Cr、Al可单独加入，Si 只能作辅加元 增加钢的脆性) 素 (增加钢的脆性)。 可以提高FeO出现的温度，改善钢的高温化学稳定性; 可以提高FeO出现的温度，改善钢的高温化学稳定性; FeO出现的温度 FeOFeOCr2O3或Al2O3或SiO2；FeO-Cr2O3或FeO-Al2O3等尖晶 石氧化物膜； 氧化膜。 石氧化物膜；Fe2SiO4氧化膜。
耐热钢标准
耐热钢标准耐热钢是一种具有良好耐高温性能的特殊钢材，广泛应用于航空航天、能源、化工等领域。
本文将从耐热钢的定义、特性、分类、应用领域和发展趋势等方面进行详细介绍。
一、耐热钢的定义耐热钢是一种能够在高温环境下保持良好力学性能和抗氧化性能的特殊钢材。
它具有较高的耐高温稳定性、抗氧化性能和抗蠕变性能，能够在高温下保持较高的强度和硬度，不易软化和变形。
二、耐热钢的特性1. 耐高温稳定性：耐热钢在高温下能够保持较高的强度和硬度，不会发生明显的软化和变形。
2. 抗氧化性能：耐热钢表面形成一层致密的氧化膜，能够有效防止氧化反应，延缓材料的氧化速度。
3. 抗蠕变性能：耐热钢在高温下能够抵抗塑性变形和蠕变现象，保持较好的形状稳定性和尺寸精度。
4. 良好的加工性能：耐热钢具有较好的可塑性和可焊性，可以方便地进行热加工和焊接。
三、耐热钢的分类根据耐热钢的化学成分和性能特点，可以将其分为几个主要类别：1. 铁基耐热钢：主要由铁、铬、镍等元素组成，具有较高的耐高温稳定性和抗氧化性能。
2. 镍基耐热合金：主要由镍、铬、钼等元素组成，具有较高的耐高温稳定性、抗氧化性能和抗蠕变性能。
3. 钨基耐热合金：主要由钨、铼、铬等元素组成，具有极高的耐高温稳定性和抗氧化性能，广泛应用于高温环境中。
4. 铸造耐热钢：主要由铁、铬、镍等元素组成，具有较好的耐高温稳定性和抗氧化性能，适用于大型铸件的制造。
四、耐热钢的应用领域耐热钢广泛应用于航空航天、能源、化工等领域，主要包括以下几个方面：1. 航空航天领域：耐热钢用于制造航空发动机的涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室等部件，以及航空航天器的隔热材料。
2. 能源领域：耐热钢用于制造火电站锅炉的超临界和超超临界锅炉管道和受热面，以及核电站的核反应堆压力容器和燃料元件。
3. 化工领域：耐热钢用于制造化工设备的反应器、分离器、石油裂化炉管道等，能够承受高温、高压和腐蚀介质的作用。
4. 其他领域：耐热钢还广泛应用于冶金、机械、汽车等领域，用于制造高温工作环境下的各种零部件和工具。
耐热钢铸件材质及成分
引言概述：
耐热钢铸件是一种在高温环境下具有优异性能和耐久性的材料。
为了确保其在极端工作条件下的可靠性和耐用性，选择合适的材质和成分对于耐热钢铸件至关重要。
本文将详细介绍耐热钢铸件的材质和成分。
正文内容：
1.高铬耐热钢材质
1.1高铬耐热钢材质的特点
1.2应用领域
1.3高铬耐热钢材质的成分要求
1.4成分对性能的影响
1.5高铬耐热钢材质的优势与劣势
2.镍基耐热合金材质
2.1镍基耐热合金材质的特点
2.2应用领域
2.3镍基耐热合金材质的成分要求
2.4成分对性能的影响
2.5镍基耐热合金材质的优势与劣势
3.铁基耐热合金材质
3.1铁基耐热合金材质的特点
3.2应用领域
3.3铁基耐热合金材质的成分要求3.4成分对性能的影响
3.5铁基耐热合金材质的优势与劣势
4.钛基耐热合金材质
4.1钛基耐热合金材质的特点
4.2应用领域
4.3钛基耐热合金材质的成分要求4.4成分对性能的影响
4.5钛基耐热合金材质的优势与劣势
5.其他耐热材料
5.1钽材料
5.2钼材料
5.3铍材料
5.4锆材料
5.5其他材料的应用与成分要求
总结：
耐热钢铸件的材质和成分直接决定了其在高温环境下的性能和耐久性。
高铬耐热钢、镍基耐热合金、铁基耐热合金、钛基耐热合金以及其他耐热材料都有各自的特点、应用领域和成分要求，不同的材料经过合理的成分设计，可以满足不同工作条件下的要求。
因此，在选择耐热钢铸件材料时，需要综合考虑其特性、应用领域以及成本等因素。
只有选择适合的材料和成分，才能确保耐热钢铸件在高温环境下具有优异的性能和耐久性。
Ch6 耐热钢和铁基高温合金.ppt
Ch6 耐热钢和铁基高温合金.ppt1、Chapter6耐热钢和铁基高温合金主要内容第一节珠光体型热强钢第二节马氏体型热强钢第三节铁素体型、奥氏体型及沉淀硬化型耐热钢第四节铁基高温合金Chapter6耐热钢和铁基高温合金基本要求：了解耐热金属材料的工作条件及性能特点；耐热钢及铁基高温合金的合金化及其热处理；常用耐热钢和铁基高温合金。
重点和难点：耐热钢及铁基高温合金的性能特点及合金化原理。
Chapter6耐热钢和铁基高温合金背景:耐热钢和高温合金是指在高温下工作并具有肯定强度和抗氧化、耐腐蚀能力的金属材料。
6.0引言6.0引言Chapter6耐热钢和铁基高温合金对蒸汽轮机和锅炉2、来讲：在本世纪30~40年月蒸汽温度不过400~450℃，蒸汽压力不过近100大气压；如今蒸汽温度已达650℃，蒸汽压力也高达340大气压以上，因此所使用的金属材料也从低碳钢进展到冗杂的各类合金钢。
6.0引言Chapter6耐热钢和铁基高温合金耐热钢的分类按合金元素多少可分为两类：一类是在低合金结构钢基础上进展起来的低合金珠光体型热强钢；另一类是在不锈钢基础上进展起来的高合金专用耐热钢。
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。
Chapter6耐热钢和铁基高温合金6.0引言热强钢是指在高温下有肯定抗氧化能力并具有足够强度而3、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，失效的主要缘由是高温下强度不够。
热强钢广泛用于制造锅炉管道、紧固件、汽轮机转子、叶片、排气阀等。
Chapter6耐热钢和铁基高温合金6.0引言热稳定钢是指在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀而不破坏的钢种，如炉底、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，故又称抗氧化钢。
热稳定钢广泛用于工业炉中的构件、炉底板、马弗罐、料架、辐射管等。
Chapter6耐热钢和铁基高温合金6.0引言按组织的晶体结构特征可以分为：奥氏体型铁素体型马氏体4、型沉淀硬化型Chapter6耐热钢和铁基高温合金6.0引言奥氏体型、铁素体型钢大都用于要求抗氧化性较高的场合；马氏体型和沉淀硬化型钢则多用于要求高温强度较高的场合。
耐热钢和耐热合金
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。
耐热钢的成分
耐热钢的成分
耐热钢的成分
耐热钢（Heat Resistant Steel）是指高温钢，它的耐热性能比一般钢材要好，能够承受更高的使用温度，具备高温抗腐蚀性和耐磨性，在高温下也更加稳定。
耐热钢的主要成分主要包括：
1. 铬：是耐热钢的主要微量元素，它具有良好的高温抗氧化性、耐磨性和强度，耐热钢的元素含量最低要求在10.5%-13.5%之间，最高可以达到25.5%，含量越高，耐热性越强。
2. 碳：碳元素是耐热钢的结构元素，它对钢材的强度、硬度、塑性、耐热性等都有重要影响，耐热钢常用的碳元素含量一般在
0.2%-2.0%之间。
3. 铝：铝是耐热钢中的重要微量元素，它可以改善铁基合金的硬度和韧性，耐热钢中的铝含量一般在0.4%-2.0%之间。
4. 锰：锰是耐热钢中一种重要微量元素，它主要作用是提升耐热钢的耐热温度和抗氧化性能，耐热钢中的锰含量一般在0.8%-1.2%之间。
5. 锡：是耐热钢中的重要微量元素，它可以改善高温钢的塑性和耐磨性，耐热钢中的锡含量一般在0.05%-1.0%之间。
6. 锆：锆是耐热钢中能够抑制铁水晶粒度增大的重要微量元素，同时也可以提高钢材的耐热温度，耐热钢中的锆含量一般在
0.05%-0.3%之间。
7. 锰铝合金：锰铝合金是耐热钢中一种重要的稳定化元素，它可以抑制钢材的高温结构变化，耐热钢中的锰铝合金含量一般在0.3%以上。
第六章 耐热钢和耐热合金
持久强度：指在规定温度、规定时间断裂所承受力。 持久寿命：规定温度、规定应力下拉断时间。
影响耐热钢热强的因素
（最 根本的原因） ② T↑， 扩散加快，组织由亚稳态向 稳定态过渡，如第二相聚集长（大弥散强化消失）等， 都导致钢的软化。
→ 耐热钢软化的因素 ：①原子间结合力↓
→高温下形变断裂的方式
常温下滑移方式进行。高温下，滑移，扩散形变，晶 界滑动和迁移 常温下断裂方式：穿晶断裂。高温下：沿晶断裂（晶 间断裂）（高温下，晶界畸变小，空位多，扩散易进 行裂纹扩展）
第二节 铁素体型耐热钢
包括铁素体－珠光体型和马氏体型。 包括铁素体－珠光体型和马氏体型。 （使用温度350-650℃） 使用温度350-650℃） 350
与奥氏体型而热钢相比： 合金元素含量低，价格低； 马氏体耐热钢有良好的减震性，适用于高频 振动的构件。
铁素体-珠光体型 铁素体 珠光体型
成分： 合金元素∠5% 成分：Σ合金元素∠5%
第五节 镍基耐热合金
镍：→FCC 无同素异构，高密度重金属8.99%/cm3
→耐腐蚀，耐热，金属键强，蠕变起始温度高 →纯Ni 低强高塑，冷热塑性成形性能好
镍基高温合金的合金化
→Cr 主加元素，↑热稳定性 另外，Si, A1↑热稳 定性 →Cr, W, Mo，Co 固溶强化 →Ti, Al, Ta(钽)Nb, Hf（铪），Ta,V 与C形成γˊ相 （与基体共格）沉淀强化 Ni3A1， Ni3Ti等，体积分 数可达60—70%, C化物可形成第二相强化 →B，Zr, Mg，稀土（RE）等 强化晶界
铁素体-珠光体型 铁素体 珠光体型
1、珠光体球化和C化物聚集，Cr,Mo,V,Ti能阻碍 珠光体球化和C 或延缓球化及聚集过程。 2、C石墨化 高温、应力长期作用。 Cr,Ti,Nb↓ 石墨化过程, A1强烈促进石墨化 3、合金元素再分配 V, Ti,Nb强C化物形成元素阻 碍扩散、聚集，热强性 4、热脆性：400--580℃ 长期服役，冲击韧性严重 热脆性： 下降，发生脆性断裂。与杂质P，As，Sn， Sb等有关。 高温回火后快冷消除
铁基高温合金 镍基高温合金
铁基高温合金镍基高温合金
铁基高温合金和镍基高温合金是两种常见的高温合金，它们在许多高温、高应力和强腐蚀环境下都有广泛的应用。
铁基高温合金，也被称为耐热合金钢，其基体元素为铁。
这种合金可以按照正火要求被分为珠光体、奥氏体、马氏体、铁素体耐热钢等，它们可以在500~700℃的条件下持续工作。
铁基高温合金的优点在于其成本低、抗氧化性良好，并且在适当的环境温度下具有良好的综合性能。
然而，其缺点是在高温和长期应力的影响下，晶界是合金的弱点，抗蠕变性能较差。
镍基高温合金，其基体元素为镍。
这种合金在650~1000℃的高温下具有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力。
镍基高温合金的优点在于其高温性能稳定，抗蠕变性能和抗压抗屈服性能好，因此在高温工作环境下具有更好的适用性。
此外，镍基高温合金还可以通过固溶处理和时效处理来优化其晶粒度和强化相，进一步提高其综合性能。
总结来说，铁基高温合金和镍基高温合金各有其特点和应用领域。
铁基高温合金主要用于燃烧仓库、涡轮盘、机箱和轴等零件，而镍基高温合金则更适用于高温工作环境，如涡轮叶片和燃烧仓库零件等。
在实际应用中，需要根据具体
的工作环境和性能要求来选择合适的高温合金。
金属材料学戴起勋版第六章耐热钢课后习题答案
第六章耐热钢1.在耐热钢的常用合金元素中，哪些是抗氧化元素？哪些是强化元素？哪些是奥氏体形成元素？说明其作用机理。
答：①Cr：提高钢抗氧化性的主要元素，Cr能形成附着性很强的致密而稳定的氧化物Cr2O3，提高钢的抗氧化性。
②Al：是提高钢抗氧化性的主要元素，含铝的耐热钢在其表面上能形成一层保护性良好的Al2O3膜，它的抗氧化性能优于Cr2O3膜。
③Si：是提高抗氧化性的辅助元素，效果比Al还要有效。
高温下，在含硅的耐热钢表面上形成一层保护性好、致密的SiO2膜。
钢中含硅量达1％～2％时，就有较明显的抗氧化效果。
④Mo、W：是提高低合金耐热钢热强性能的重要元素，Mo溶入基体起固溶强化作用，能提高钢的再结晶温度，也能析出稳定相，从而提高热强性。
W的作用于Mo相似。
⑤Ti、Nb、V：是强碳化物形成元素，能形成稳定的碳化物，提高钢的松弛稳定性，也提高热强性。
当钢中有Mo、Cr等元素时，能促进这些元素进入固溶体，提高高温强度。
⑥Ni：是奥氏体形成元素，获得奥氏体组织。
2.为什么锅炉管子用珠光体热强钢的含C量都较低（<0.2%）？有一锅炉管子经运行两年后，发现有“起瘤”现象，试分析原因，并提出改进设想。
答：因为含碳量高了，使珠光体球化和聚集速度加快，石墨化倾向增大，合金元素的再分配加速，并且钢的焊接、成型等工艺性能有所降低。
在保证有足够强度的前提下，尽可能降低碳量。
3.提高钢热强性的途径有哪些？答：(1)强化基体：耐热温度要求越高，就要选用熔点越高的金属作基体。
合金元素的多元适量复合加入，可显著提高热强性。
(2) 强化晶界:①净化晶界:在钢中加入稀土、硼等化学性质比较活泼的元素；②填充晶界空位：晶界上空位较多，原子易快速扩散。
B易偏聚于晶界，减少晶界空位。
(3)弥散相强化：金属基体上分布着细小、稳定、弥散分布的第二相质点，能有效地阻止位错运动，而提高强度。
获得弥散相的方法有直接加入难熔质点和时效析出两种。
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6.1 耐热钢的工作条件及性能
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？
6.1 耐热钢的工作条件及性能
6.2珠光体型热强钢
1.珠光体型热强钢的典型钢种及应用
500℃~620℃以下的热强钢；
12Cr1MoV 和12Cr2MoWSiVTiB 等； 12Cr1MoV用于540℃的导管或580℃的过热 蒸汽管，而12Cr2MoWSiVTiB 用于 600℃~620℃的过热器管。
耐热钢按组织的晶体结构特征可以分为奥氏体型、铁素体型、 马氏体型和沉淀硬化型四类，其中奥氏体型、铁素体型钢大 都用于要求抗氧化性较高的场合，马氏体型和沉淀硬化型钢 则多用于要求高温强度较高的场合。 耐热工作温度是指该金属 或合金的（0.3~0.5）T 熔点℃以上的温度。 高温合金按基体元素分类， 以铁为主，加入的合金元素总量超过50％的铁基合金称为铁 基高温合金； 以镍为主或以钴为主的合金分别称为镍基或钴基高温合金。 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。 按强化方式分类，有固溶强化型、沉淀强化型、金属间化合 物、氧化物弥散强化型和纤维强化型等。 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属（指熔点高于1650℃的金属）或其 合金了。
6.2珠光体型热强钢
（2）主加合金元素是铬和钼，辅加元素是V、Ti、Nb、 W 等。 提高钢的热强性的途径有固溶强化和第二相强化。 固溶强化即加入合金元素固溶强化铁素体基体（包 括珠光体和索氏体中的铁素体），以提高钢的热强 性和再结晶温度； 第二相强化即利用合金元素形成第二相并强化第二 相，如加入合金元素形成一定数量的碳化物，并通 过合金化稳定碳化物，使形成的碳化物不仅在高温 下不易球化，不易石墨化，而且在400℃~620℃形 成弥散分布的、稳定性高的、不易聚集长大的碳化 物，保持弥散强化作用。
6.2珠光体型热强钢
石墨化是珠光体型钢在工作温度和应力长期作用下， 碳化物分解成游离石墨的过程。当石墨形成后，不 但消除或降低了碳化物的第二相强化作用，而且石 墨存在于钢中也割裂 了基体（相当于小裂纹），使钢的强度及塑性显著 下降。 C、Al、Si 等是促进石墨化元素，因此这类钢冶炼 时一般不用Al 脱氧。V、Cr 等是阻碍石墨化的元素。 为了保证并促进碳化物弥散强化，这类钢中常加入 Mo、W、V、Nb、Ti 等附加合金元素，并配合适当 的热处理，以获得稳定的弥散强化效果。
6.1 耐热钢的工作条件及性能
一、耐热钢的工作条件及性能要求
工作条件： 在高温下承受各种载荷，如拉伸、弯曲、扭转、 疲劳和冲击等； 与高温蒸汽、空气或燃气接触，表面发生高温 氧化或气体腐蚀。 性能要求： 良好的高温强度及塑性；有足够的化学稳定性。
6.1 耐热钢的工作条件及性能
二、高温强度指标
Chapter 6 耐热钢和铁基耐热合金
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。 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； 在不锈钢基础上发展起来的高合金专用耐热钢。 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。 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。 热稳定钢是指在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀而 不破坏的钢种，如炉底、炉栅等。又称抗氧化钢。
6.1 耐热钢的工作条件及性能
四、耐热钢和耐热合金抗氧化 和气体腐蚀级别
腐蚀速度≤0.1mm／年：完全抗氧化； 腐蚀速度＜0.1-1.0 mm／年：为抗氧化； 腐蚀速度＜1.0 –3.0mm／年：为次抗氧化； 腐蚀速度＜3.0-10.0mm／年：为弱抗氧化; 腐蚀速度＞10.0mm／年：为不抗氧化。
6.2珠光体型热强钢
对于第二相强化，合金化的主要目的不仅是获得一 定数量的强碳化物相，更重要的是阻止珠光体的球 化和碳化物的聚集，阻止钢中的C 发生石墨化，保 证并促进碳化物弥散强化。 影响碳化物球化及聚集长大的主要因素是服役温度、 时间和材料的化学成分。就化学成分而言，由于这 种变化是通过C 原子的扩散进行的，因此这种珠光 体球化及碳化物的聚集长大倾向随着碳含量的增加 而增加；在钢中凡是降低碳的扩散速度和增加合金 碳化物稳定性（或原子结合力）的元素，如Cr、Mo、 V、Ti 等均能阻碍或延缓珠光体球化及碳化物的聚 集长大过程。
6.2珠光体型热强钢
主加元素铬和钼是铁素体基体的最有效的强化元素， 使这类钢的热强性大为提高。但仅经过铬和钼固溶 强化的铁素体在工作温度和应力的长期作用下，会 缓慢地向碳化物中富集，而铁和锰等其它元素则被 排挤到固溶体中去，产生合金元素在使用过程中的 再分配现象，其结果将导致固溶体中的强化元素减 少，热强性下降。为此钢中还需加入一定量的辅加 元素，以减少合金元素的再分配趋势，如常加入的 辅加元素主要有V、Ti、Nb 等，这些合金元素与碳 形成稳定的碳化物，使铬和钼等的固溶强化元素难 以发生向碳化物转移的再分配现象，从而保持固溶 体的强化特性。
蠕变
钢和合金在温度和应力作用下将发生连续而缓慢 的变形。 1、蠕变强度 在某温度下，在规定时间达到规定变形时所能承 受的应力。 2、持久强度 在规定温度和规定时间断裂所能承受的应力。 3、持久寿命 在规定温度和规定应力作用下断裂的时间。
6.1 耐热钢的工作条件及性能
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。 Cr、Al、Si提高FeO出现的温度，改善钢的高温化学稳定 性。 钢表面氧化膜的结构：外层：Fe2O3；中间层Fe3O4；内 层FeO，当FeO出现时钢的氧化速度剧增。 Cr、Al含量较高时，钢的表面出现致密的Cr2O3或Al2O3保 护膜。 含硅钢中生成Fe2SiO4氧化膜，具有良好的保护作用。 Cr是提高抗氧化能力的主要元素，Al也能单独提高钢的抗 氧化能力。 Si由于增加钢的脆性，加入量受到限制，只能作辅加元素。
6.2珠光体型热强钢
一、低碳珠光体型热强钢
1．低碳珠光体型热强钢的合金化 （1）低碳，一般为0.08%~0.20%。 一方面可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；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，珠光体中的渗碳体也不易发生 石墨化，这有利于组织稳定。 另一方面，低碳还使钢具有良好的加工工艺性能 （如容易轧制、穿管、拉拔、延伸、焊接、冷弯 等）。
6.1 耐热钢的工作条件及性能
2、稀土金属或碱土金属提高钢的抗氧化能力， 特别在1000℃以上，使高温下晶界优先氧化 的现象几乎消失。。 3、W或Mo降低钢和合金的抗氧化能力。 氧化膜内层贴着金属生成含W和Mo的氧化物， 而MoO3和WO3具有低熔点和高挥发性，使抗 氧化能力变坏。 4、H降低化学稳定性。 高于400℃的水蒸气能使钢氧化。 3Fe+4H2O=Fe3O4+2H2 当H扩散到钢中将引起脱碳，生成甲烷，并在 晶界析出，引起裂缝，即氢腐蚀。
6.2珠光体型热强钢
2．低碳珠光体型热强钢的热处理