第六章 耐热钢
[高等教育]第六章 耐热钢
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6.3 抗氧化钢
2. Cr-Mn-Ni-N系，Cr-Mn-N系
特点：以Mn，N代替Ni，Cr-Mn-N系在950以下有较好的抗 氧化性。
3Cr18Mn12Si2N；
2Cr20Mn9Ni2Si2N。寿命接近3Cr18Ni25Si2
3. 低镍奥氏体抗氧化钢
ZG4Cr22Ni4N和ZG3Cr24Ni7N钢。经济，但易析出脆性的σ 相。
6.1 基本概念
6.1 基本概念
2、强化晶界
在高温下，晶界的强度将不同程度地降低，所以在耐热钢中不是 追求细化晶粒强化，而是“适当地粗化”晶粒以减少薄弱的晶界数量， 从而提高蠕变抗力。与此同时，还可采用合适的合金化措施，进一步 强化晶界。
6.1 基本概念
3、弥散强化
① 时效析出的弥散相
大多是各种类型的碳化物和金属间化合物。
6.1 基本概念
四、提高钢抗氧化性的途径
1、提高钢氧化膜稳定性
6.1 基本概念
2、形成致密、稳定的氧化膜
3、加入少量稀土金属或碱土金属
提高耐热钢和耐热合金的抗氧化能力，特别在1000℃以上，使高 温下晶界优先氧化的现象几乎消失。
6.1 基本概念
五、高温强度
金属零件在高温下长时间承受负荷时，有可能会出现两
1. 性能要求
（1）高的热强性； （2）高的抗氧化性； （3）高的塑性，冲击韧性； （4）良好的可焊性。 燃气轮机的高温零件主要使用铁基、镍基和钴基高温合金， 这些合金具有优异的高温强度、抗氧化性和抗腐蚀性，并有良好 的抗辐照性能和低温性能。
6.2 热强钢
2. 合金化：主要是提高热强性 （1）基体的固溶强化 主要靠W，Mo固溶强化，Cr也有此作用。但合金含量不能太高， 否则大幅度降低材料熔点，加速合金元素扩散，反而降低高温强度。
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。
第六章 耐热钢
三、抗氧化钢
铁素体抗氧化钢 （1）特点：是在铁素体不锈钢的基础上发展起来的。因 ）特点：是在铁素体不锈钢的基础上发展起来的。 无相变，有晶粒长大倾向，韧性低，但抗氧化性强， 无相变，有晶粒长大倾向，韧性低，但抗氧化性强， 还可以在含S的气氛中使用 因不含镍）。 的气氛中使用（ 还可以在含 的气氛中使用（因不含镍）。 （2）分类（按使用温度分） ）分类（按使用温度分） Cr13型：800-850℃，Cr13Si3、Cr13SiAl等 型 ℃ 、 等 Cr18型：1000℃左右，Cr18Si2、Cr17Al4Si等 型 ℃左右， 、 等 Cr25型：1050-1100℃，Cr24Al2Si、Cr25Si2等 型 ℃ 、 等
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二、碳化物沉淀强化型
1.成分：较高Cr、Ni，以形成 ；W、Mo、V、 成分：较高 、 ，以形成A； 、 成分 、 、 W、Nb和较高的 ，以形成强化相 。 和较高的C，以形成强化相K。 、 和较高的 2.热处理：固溶 时效 热处理： 热处理 固溶+时效 3.典型钢号 典型钢号 GH36（4Cr13Ni8Mn8MoVNb） （ ） 1140℃×1.5-2小时，水冷，670℃×12小时， ℃ 小时 水冷， ℃ 14小时第一次时效，770-800℃×10-12小 小时第一次时效， 小时第一次时效 ℃ 小 时第二次时效 应用：温度低于650℃的涡轮盘、紧固件 应用：温度低于 ℃的涡轮盘、
Cr：提高抗氧化性；提高基体电极电位；提高钢的热 ：提高抗氧化性；提高基体电极电位； 强性。抗氧化钢的主要元素。 强性。抗氧化钢的主要元素。 Al、Si：显著提高抗氧化性；严重恶化工艺性；使钢 、 ：显著提高抗氧化性；严重恶化工艺性； 变脆。很少单独使用。 变脆。很少单独使用。 Ni、Mn：对抗氧化性影响小，Mn 略降低抗氧化性。 、 ：对抗氧化性影响小， 略降低抗氧化性。 A稳定元素，获得 ；不宜用于含 气氛中，形成 稳定元素， 气氛中， 稳定元素 获得A；不宜用于含S气氛中 形成Ni3S 共晶温度很低（ 沿晶分布。 共晶温度很低（645℃），沿晶分布。 ℃），沿晶分布 N、C：溶于固溶体，对氧化性影响不大。形成化合物， 、 ：溶于固溶体，对氧化性影响不大。形成化合物， 降低抗氧化性，破坏氧化膜的连续性。 一般控制在 降低抗氧化性，破坏氧化膜的连续性。C一般控制在 0.1-0.2%。 。 Mo、V：形成低熔点产物 、 ：形成低熔点产物MoO3（795℃）、 （ ℃）、V2O5 易挥发， （658℃），易挥发，降低钢的抗氧化性。 ℃），易挥发 降低钢的抗氧化性。 RE：使膜与基体结合力增强，提高抗氧化性。 ：使膜与基体结合力增强，提高抗氧化性。
CH6 耐热钢(05)
• 合金元素作用：Cr提 合金元素作用： 提 高抗氧化性； 提高热 高抗氧化性；Mo提高热 强性； 弥散强化 弥散强化。 强性；V弥散强化。 涡轮机机壳
2）马氏体型热强钢 ） 如: 15Cr12WmoV(汽轮机叶 汽轮机叶 片用钢)。 片用钢 。马氏体型耐热钢的使用 温度在550~600℃之间，主要用于 温度在 ℃之间， 制造汽轮机叶片和汽油机或柴油 机的汽阀等，常用的钢种有： 机的汽阀等，常用的钢种有：① Cr13型 1Cr13、2Cr13、 型 、 、 1Cr11MoV、15Cr11MoV为叶片 、 为叶片 钢；②Cr-Si型 4Cr9Si2及 型 及 4Cr10Si2Mo为阀门钢等 为阀门钢等 • 合金元素作用：Cr、Si提高抗氧 合金元素作用： 、 提高抗氧 化性; Mo提高热强性 再);V弥散 化性 提高热强性(T 弥散 提高热强性 强化。 强化。 • 热处理：调质。 热处理：调质。 • 组织： S回。 组织：
2、提高钢的热强性的方法 通常采用： 、 通常采用： 基体固溶强化：增加Cr, Mo、W等元素的固溶强化 等元素的固溶强化; ①基体固溶强化：增加 、 等元素的固溶强化 沉淀析出相弥散强化：通过碳化物和金属间化合物的弥散相强化。 ② 沉淀析出相弥散强化 ： 通过碳化物和金属间化合物的弥散相强化。 ③晶界强化：阻碍原子扩散及位错的运动。 晶界强化：阻碍原子扩散及位错的运动。 可加入Mo、 、 、 等形成粗晶 减少晶界，降低晶界能量， 等形成粗晶， 可加入 、 B、V、Zr等形成粗晶，减少晶界，降低晶界能量，使 晶界强化。其中由于材料在高温下(大于等强温度 。其晶界强度低于 晶界强化。 其中由于材料在高温下 大于等强温度Te)。 大于等强温度 晶内强度，晶界成为薄弱环节。 晶内强度，晶界成为薄弱环节。
耐热钢及高温合金综述
第六章耐热钢和高温合金 §5 特殊性能钢三、耐磨钢耐磨钢：用于制造高耐磨性零件的特殊钢种；广义上，高碳工具钢、一部分结构钢及合金铸钢均可用于制造耐磨零件；最重要的是：高锰耐磨钢。
颚式破碎机挖掘机 2017年9月26日星期二 31
第六章耐热钢和高温合金 §5 特殊性能钢三、耐磨钢铁路道岔挖掘机铲齿球磨机衬板履带 2017年9月26日星期二 32
第六章耐热钢和高温合金 §5 特殊性能钢三、耐磨钢球磨机用于：大型水泥厂，耐火材料厂，冶炼厂，把颗粒研磨成粉状，以利于提取里边所需的矿物质。
2017年9月26日星期二 33
第六章耐热钢和高温合金 §5 特殊性能钢三、耐磨钢（高锰钢）化学成分：高碳(0.9%~1.5%、高锰(11％~14％。
ZGMn13。
铸态组织：粗大A＋Fe3C网，脆性大，不直接使用。
固溶处理：（1060~1100℃水冷）后可得到单相A，此时韧性很高(故又称“水韧处理”。
加工硬化：(A→M形成硬(＞500HBW而耐磨的表面层(10~20mm，心部为高韧性的A。
主要用途：坦克、拖拉机、挖掘机的履带板、破碎机衬板、铁路道岔等。
2017年9月26日星期二 34。
金属材料第六章
第六章
第二节
耐热钢
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 滑耐热钢
第三节 热强钢
一、珠光体热强钢
在650 C以下有较好的热强性，而且工艺性能好，价格便宜
1. 低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢） 碳含量：0.08~0.2 wt%
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。
净化晶界：S, P等在晶界偏聚使晶界弱化，应尽量降低其含量 （如何降低？）加入B、稀土等元素，形成高熔点稳定化合物，作为晶核，
使易熔杂质从晶界转入晶内。
填补晶界上的空位：主要是加入B元素可填充晶界空位，阻碍 晶界原子扩散
晶界沉淀强化：如在晶界上形成Cr23C6钉扎晶界的运动 减少晶界数量：晶粒度在2~4级比较好
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。
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。
第六章--耐热钢
热强钢：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。
上海应用技术学院 工程材料学
§6.1 钢的热稳定性和热稳定钢 一、钢的抗氧化性能及其提高途径
上海应用技术学院
工程材料学
⑵ 奥氏体型热稳定钢
①Cr-Ni系，经Si、Al抗氧化合金 化。 ②Fe-Al-Mn系，节约Cr、Ni。 ③Cr-Mn-N系，有较高的持久强 度。
上海应用技术学院 工程材料学
§6.2 金属的热强性
一、高温下金属材料力学性能特点
高温下钢的强度及变形量不但 与时间有关，而且与温度有关。 长时性能：蠕变极限、持久强 度等。
上海应用技术学院 工程材料学
二、热强性的影响因素及其提高途径 1. 影响热强性的因素 随着温度的升高，耐热钢抵抗塑 性变形和断裂的能力不断降低。 ⑴软化因素。显微组织由亚稳态向 稳定态过渡、第二相聚集长大、发 生再结晶等。
上海应用技术学院 工程材料学
⑵形变断裂方式的变化
高温下形变方式不仅有滑移， 而且还有扩散形变及晶界滑动与 迁移等方式。
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。 若能在金属表面形成一层致密的、 牢固结合的氧化膜，那么钢将不再被 氧化。
上海应用技术学院 工程材料学
由于铁离子半径比氧离子的小，因 而氧化膜的生成主要靠铁离子向外表 层扩散。 <560℃，表面生成很致密的Fe2O3 和 Fe3O4层，该两层较薄。 > 560℃ ， 出 现 FeO 层 ， 铁 离 子 在 FeO层中的扩散很快，因而FeO层增厚 很快，钢的氧化速度剧增。
⑵第二相强化
第6章 耐热钢
直接作用
V Ti
间接作用
形成稳定MC型K， 弥散强化，↑热强度
使更多Mo、W 、Cr 固溶，↑热强度
典型钢号12Cr1MoVG是用量较大的钢管
材料，15CrMo、12CrMoV 等
二、紧固件用珠光体热强
紧 固 件 处于初紧预应 力状态工作 ↑C ↑Cr/ Mo/ V
高的屈服强度、
松弛稳定性，
缺口敏感性小，
3、弥散强化
弥散质点，↓↓位错运动，↑强度 → 有效 性和程度的关键是质点的性质、大小、分布、 稳定性。
4、热处理
↑珠光体热强钢的蠕变强度
裂纹中止于晶界颗粒状析出物
高温合金中的‘析出相
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
V：形成稳定碳化物，弥散强化。
锅炉钢管用珠光体热强钢 m 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
普遍 问题
组织不稳定，如片状P球化、K长
大、G化，→ 强度↓，管子爆裂
合金 化
≤0.2%C →↓球化、K长大、G化
采用 Cr- Mo- V系
Mo、W 、Cr → 固溶强化，↓K长大和 G化，Cr↑抗氧化性和耐蚀性；
蒸汽管道螺栓 需要经常拧紧
二、提高热强性的途径 1、强化基体
基体金属熔点：↑T熔，↑金属原子间结合力。 铁、镍、钼基是依次↑
合金晶格类型：fcc-Fe > bcc-Fe, 奥氏体型钢要比 F、M、P型钢的蠕变抗力高 固溶体结合力：合金化→↑固溶体原子间结合 力，Mo、Cr、Mn、Si作用较大
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
耐热钢
Chapter 6 耐热钢和耐热合金1.耐热钢和耐热合金是指在高温（（0.3~0.5）T 熔点）下工作并具有一定强度和抗氧化、耐腐蚀能力的金属材料。
2.分类：⑴耐热钢按合金元素多少通常可以分为两类：①在低合金结构钢基础上发展起来的低合金铁素体-珠光体型热强钢；②在不锈钢基础上发展起来的高合金专用耐热钢。
⑵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。
⑶耐热合金按基体元素分类:铁基耐热合金；镍基耐热合金;钴基耐热合金。
⑷按制备工艺分类：变形耐热合金，铸造耐热合金和粉末冶金耐热合金。
⑸按强化方式分类：固溶强化型、时效沉淀强化型。
6.1耐热钢和合金的工作条件及性能（了解）一、耐热钢和合金的工作条件及性能要求⑴工作条件：在高温下承受各种载荷⑵性能要求：良好的高温强度及塑性；有足够高的化学稳定性。
二、高温强度指标⑴蠕变强度⑵持久强度⑶持久寿命三、合金元素对化学稳定性的影响⑴Cr、Al、Si改善钢的高温化学稳定性。
（①提高FeO出现的温度②致密的Cr2O3或Al2O3保护膜）⑵稀土金属或碱土金属提高钢的抗氧化能力⑶※W或Mo降低钢和合金的抗氧化能力，降低化学稳定性。
⑷H降低化学稳定性。
四、抗氧化和气体腐蚀能力级别：完全抗氧化；抗氧化；次抗氧化；弱抗氧化;不抗氧化。
五作业：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？6.2 铁素体型耐热钢1.耐热钢按显微组织可分为奥氏体型和铁素体型两大类。
2.铁素体型耐热钢：铁素体-珠光体耐热钢、马氏体耐热钢和铁素体耐热钢。
一、铁素体-珠光体耐热钢1. 典型钢种及应用12Cr1MoV（※※分析各合金元素的作用）、12Cr2.25Mo1、15CrMo和12Cr2MoWSiVTiB等。
2．成分特点及合金元素作用⑴低碳，一般为0.08%~0.20%：①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；②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。
金属材料学：第6章 耐热钢和铁基高温合金(修订)
第六章耐热钢和铁基高温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。
对蒸汽轮机和锅炉来讲，在本世纪30~40年代蒸汽温度不过400~450℃，蒸汽压力不过近100大气压，而现在蒸汽温度已达650℃，蒸汽压力也高达340大气压以上，因此所使用的金属材科也从低碳钢发展到复杂的各类合金钢。
耐热钢按合金元素多少通常可以分为两类：一类是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，另一类是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。
它们工作时要求承受较大的载荷，失效的主要原因是高温下强度不够。
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。
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。
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。
现代航空工业的发展出现了超音速飞机，其发动机的工作温度高达1200℃，从而，出现了各类镍基、钴基合金。
由此可见，根据工程结构的要求不同，耐热钢和高温合金的使用温度范围是十分宽广的，从几百度到千度以上。
一般来讲，耐热钢和高温合金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。
高温合金根据成分、组织和成型工艺不同，有不同分类方法。
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，目前使用的铁基合金含镍量高达25％~60％，这类铁基合金有时又称为铁镍基合金；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。
第六章耐热钢
第六章耐热钢第6章耐热钢6.1 基本概念6.2 热强钢6.3 抗氧化钢⼀、耐热钢的⽤途1. 蒸汽锅炉、蒸汽涡轮或燃⽓涡轮；2. 喷⽓发动机、内燃机；3. 加热炉构件。
它们都在⾼温下⼯作，并承受各种载荷，如拉伸、弯曲、扭转、疲劳等，有的零件还承受冲击载荷。
除此之外，钢件在⼯作时还与⾼温蒸汽、空⽓或燃⽓相接触，表⾯要发⽣⾼温氧化或燃⽓腐蚀。
⼆、对耐热钢的性能要求1. ⾼温抗氧化性（耐热不起⽪性）由于⾼温要引起表⾯的剧烈氧化、腐蚀。
2. ⾼温强度在⾼温下具有⾜够的强度、疲劳强度和相应的塑性，不发⽣⼤量的变形或断裂。
3. ⾼温组织稳定性及强化机制在⾼温下的有效性由于在⾼温下⼯作，钢和合⾦将发⽣原⼦扩散过程，并引起组织的不断变化。
4. 在⾼温温度场中要有⼤的热传导性，⼩的热膨胀性。
5. 良好的⼯艺性能如铸造、热加⼯、焊接、冲压等性能三、⾦属的抗氧化性1. 铁的氧化过程和保护膜O3、Fe3O4三种。
铁氧化物类型有FeO、Fe2FeO：结构疏松，Fe离⼦容易通过FeO膜向外扩散，O离⼦由表向⾥扩散。
冷却分解→应⼒，结合⼒弱，易剥落；Fe2O3、Fe3O4：结构致密，和基体结合好。
6.1 基本概念2. ⾦属的氧化规律取决于化学反应的速度和原⼦扩散的速度。
（1）直线关系氧化膜不完整、不连续时，如氧化物体积较⼩的Mg、Na、Ca等。
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四、提⾼钢抗氧化性的途径1、提⾼钢氧化膜稳定性2、形成致密、稳定的氧化膜3、加⼊少量稀⼟⾦属或碱⼟⾦属提⾼耐热钢和耐热合⾦的抗氧化能⼒，特别在1000℃以上，使⾼温下晶界优先氧化的现象⼏乎消失。
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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氧化膜中金属离子空位浓度降低，因而通过空位的传导被减弱，金
属抗氧化性将提高。
在N型半导体中加入较高价的合金元素离子，也会导致阴离子
空位的降低，使氧离子传导性削弱，钢的抗氧化性也将提高。
6.1 概 述
2、提高钢氧化膜稳定性
↑FeO的稳定氧化物： Cr、 Al、Si。
如：1.03%Cr，FeO形成温度为600℃； 1.14%Si， FeO形成温度为750℃ ； Cr、Al量高时，钢的表面可生成致密的Cr2O3 或Al2O3保护膜。
6.1 概 述
3、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
主的氧化膜，
如致密、稳定的Al2O3、SiO2、Cr2O3等。
第6章 耐热钢和耐热合金
概述
热强钢
镍基耐热合金 新型耐热合金
6.1 基本概念
一、耐热钢和耐热合金的用途
1. 蒸汽锅炉、蒸汽涡轮或燃气涡轮；
2. 喷气发动机、内燃机；
3. 加热炉构件。
它们都在高温下工作，并承受各种载荷，如拉伸、弯曲、
扭转、疲劳等，有的零件还承受冲击载荷。除此之外，钢件在 工作时还与高温蒸汽、空气或燃气相接触，表面要发生高温氧
度。粗晶粒钢高温强度高于细晶粒钢。
6.1 概 述
2、钢的热强性能指标
（1）蠕变及蠕变极限 蠕变：金属在一定温度和静载荷长时间的作用下，发生缓慢的 塑性变形的现象。 碳钢当T>300℃，合金钢当T>400℃时，在一定静载荷作用下， 都会产生蠕变，温度越高，蠕变现象越严重。 蠕变极限：又称蠕变强度，是表示金属蠕变抗力大小的指标。 蠕变极限表示在给定温度下，在规定时间内达到规定变形量时
6.1 概 述
三、金属的抗氧化性
1. 铁的氧化过程和保护膜 铁氧化物类型有FeO、Fe2O3、Fe3O4三种。 FeO：结构疏松，Fe离子容易通过FeO膜向外扩散，O离子由 表向里扩散。冷却分解，发生相变→应力，结合力弱，易剥落；
Fe2O3、Fe3O4：结构致密，和基体结合好。 570℃以下，氧化膜由Fe2O3和Fe3O4组成；
6.1 概 述
四、提高钢抗氧化性的途径
1、加入合金元素降低氧化膜中的扩散
加入不同的合金元素会改变钢表面氧化膜的结构和性质。
基体金属（A）、合金元素（B）在氧化时可能出现三种情况： ① 形成A的氧化物中含有B离子； ② 形成B的氧化物中含有A离子； ③ A、B各自形成氧化物。
6.1 概 述
在P型半导体中（金属离子空位）加入低价合金元素离子，由于低 价元素对静电场的平衡贡献少，可由更多的金属离子植入空位，使
（4）持久寿命
持久寿命是指在某一定温度和规定应力作用下，从作用开始时 间到拉断的时间。通常温度越高、应力越大，持久寿命越低。
6.1 概 述
蠕变强度和持久强度都是反映材料高温性能的重要指标， 其区别仅在于侧重点不同，两种指标的适用情况也不同。 ① 蠕变强度是考虑材料在高温下对塑性变形的抗力， ② 持久强度则主要考虑材料在长期使用下的断裂破坏抗力，
蒸汽管道螺栓需 要经常拧紧
高温拉应力
原子易于扩散
在工程应用中需要知道零件在高温工作一段时间后还存在 多少“残余应力”，是否会因紧固松弛而发生泄漏现象。对于 紧固件往往需要一定的预紧应力，一般规定为300MPa左右。
耐热 钢软 化的 因素
①原子间结合力↓（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（弥散强化消失）等，都导致钢的软化。
6.1 概 述
1. 高温下的金属变形机制
室温下：滑移变形机制。晶界强度>晶内强度，细晶强化。 高温下：扩散形变机制。
扩 散 形 变 机 制
（1）与时间有关； （2）扩散易通过晶界进行，晶界强度<晶内强
4、加入少量稀土金属或碱土金属
提高耐热钢和耐热合金的抗氧化能力，特别在1000℃以上，使高 温下晶界优先氧化的现象几乎消失。
6.1 概 述
五、钢的热强性
金属零件在高温下长时间承受负荷时，有可能会出现两 种情况的失效： ① 在远低于σb的应力作用下，抗拉强度与塑性会随持续 时间的增长而显著降低，产生断裂； ② 在工作应力低于σs的情况下，工件会连续而缓慢地发 生塑性变形，导致失效。
化或燃气腐蚀。
6.1 基本概念
二、耐热钢和耐热合金的性能要求
1. 高温抗氧化性（耐热不起皮性） 由于高温要引起表面的剧烈氧化、腐蚀。 2. 高温强度 在高温下具有足够的强度、疲劳强度和相应的塑性，不发生 大量的变形或断裂。 3. 高温组织稳定性及强化机制在高温下的有效性 由于在高温下工作，钢和合金将发生原子扩散过程，并引起 组织的不断变化。 4. 在高温温度场中要有大的热传导性，小的热膨胀性。 5. 良好的工艺性能 如铸造、热加工、焊接、冲压等性能
570℃以上，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO氧化物组 成，约1:10:100。
形 成 规 律
570℃以上铁的氧化过程大大地加速。
6.1 概 述
2. 金属的氧化规律
取决于化学反应的速度和原子扩散的速度。 （1）直线关系
氧化膜不完整、不连续时，如氧化物体积较小的Mg、Na、Ca等。
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
两者之间并无定量关系。
一般来说，对于高温塑性好的材料，σ持 /σ蠕 比值较高；而
高温易于脆断的材料，σ持 /σ蠕 的比值较低。在设计中一般以选
用比值较高的材料为宜。
6.1 概 述
（5）应力松弛 金属应力松弛是在具有恒定总变形的零件中，随时间延长 而自行降低应力的现象。
经过有段时间后，弹性变 形成了塑性变形，从而使应 力不断降低。
所能承受的应力。
6.1 概 述
（2）持久强度
持久强度：在一定温度下，在规定时间内材料断裂所能承受的 最大应力。
（3）高温疲劳强度
高温疲劳寿命是指温度高于0.5Tm或在再结晶温度以上时出现疲 劳的现象。 在高温疲劳时只有条件疲劳极限，即把在某一规定的循环次数 （一般采用107~108次）下而不断裂时的最大应力作为疲劳极限。