耐热钢及高温合金

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。
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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。
铁路道岔
挖 掘 机 铲 齿
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球磨机衬板
履带
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三、耐磨钢
第六章 耐§热5钢和特高殊温性合能金钢
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。
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第六章 耐热§钢5 和特高殊温性合能金钢
三、耐磨钢（高锰钢）
中温使用，热强性、热稳定性、工艺性能 较好、线膨胀系数小，低碳、低廉，600650℃使用；
应用：制造锅炉、汽轮机、石油提炼设备等
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第六章 耐热钢和高温合金
§6.3 α-Fe基热强钢
一、珠光体型热强钢
分类（C含量）：低碳P热强钢、中碳P热强钢
低碳P热强钢：锅炉管道等；
中碳P热强钢：汽轮机等耐热紧固件、转子。
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§6.4 γ-Fe基热强钢
奥氏体热强钢： 一、固溶强化型 二、碳化物沉淀强化型 三、金属间化合物强化型
掌握：化学成分、牌号、
热处理工艺、机械性能、应用
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第六章 耐热钢和高温合金
过热器管排
过热器集箱
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第六章 耐热钢和高温合金
§6.3 α-Fe基热强钢
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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：
高温和载荷下抵抗塑性变形能力 包括：高温下瞬时性能和长时性能
瞬时性能：高温拉伸、冲击、硬度
长时性能：蠕变极限、持久强度、应力松弛、 高温疲劳强度、冷热疲劳等
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措施：加Cr、Ti、Nb元素阻碍C化。 3、合金元素的再分布
机理：高温下Me向碳化物扩散集聚，基体Me贫化， 热强性下降。
措施：加强碳化物形成元素Ti、V、Nb等。
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第六章 耐热钢和高温合金
§6.3 α-Fe基热强钢
失效原因： 4、热脆性
机理：高温长时工作，韧性大幅下降，脆性 断裂，即热脆性，析出新相
在奥氏体不锈钢的基础上加：W、Mo、V、Ti、Nb、 Al等，强化奥氏体并能形成稳定的特殊碳化物或金属间 化合物。具有比珠光体热强钢和马氏体热强钢更高的热 强性和抗氧化性，此外还有高的塑性、韧性及良好可焊 性、冷塑性成形性。
常用07Cr18Ni11Ti、45Cr14Ni14W2Mo(4,0.40~0.50) 等，用于工作高达800℃的各类紧固件与汽轮机叶片、 发动机气阀，使用状态为固溶处理状态或时效处理状态。
越小，热稳定性越高。
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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
氧化机理：
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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
铁氧化物：FeO、Fe2O3、Fe3O4（致密）
FeO氧化物：Fe缺位固溶体，Fe离子通
过FeO层易扩散，即易氧化
1.铁基高温合金 工作温度800～900℃的零件，使用 状态为固溶或固溶＋时效。常用牌号如GH1131，Cr20％、 Ni28%、W5％、Mo4％左右。
2.镍基高温合金 基本性能类似于铁基高温合金，但 热强性和组织稳定性稍优；但价格昂贵。如GH3030， Cr20％、微量的Ti、Al等元素。1000℃左右
②微量稀土(RE)元素如钇(Y)、镧(La)等，能防止高温 晶界的优先氧化，明显改善耐热钢的抗氧化性。
③金属表面渗Cr、Al、Si也有效提高钢抗氧化性。
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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
二、热稳定钢（抗氧化钢，不起皮钢） 种类：
F型热稳定钢、A型热稳定钢
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第六章 耐热钢和高温合金
§6.3 α-Fe基热强钢 失效原因： 1、珠光体球化和碳化物集聚长大
机理：长时间高温工作，片状碳化物球化，小颗 粒集聚成大颗粒，组织软化，亚稳态向稳定态转变， C原子扩散完成。 2、钢石墨化 机机械理性：能F，e3C脆分断解；Fe和G的过程，石墨即小裂纹，降
①低碳12CrMo、15CrMoV，优良的冷热加工性能，主要 用做锅炉管线等，正火后使用。
②中碳35CrMo、35CrMoV，调质后使用，具有优良的高 温综合力学性能，用作耐热的紧固件和汽轮机转子。
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热强钢的成分（牌号）、热处理、用途和机械性能
第六章 耐热钢和高温合金
§6.3 α-Fe基热强钢
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。
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。
2、热强钢 高温下具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。
失效形式：高温下强度不足、表面氧化腐蚀
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第六章 耐热钢和高温合金
§6.2 金属的热强性
高温力学性能指标：
①蠕变极限：材料在高温长期载荷下对缓慢
塑性变形（即蠕变）的抗力；以
700 0.2 /1000
表示
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。
❖热处理：淬火形成马氏体＋高温回火状 态下使用----回火T或回火S
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第六章 耐热钢和高温合金
§6.3 α-Fe基热强钢
马 氏 体 热 强 钢 钢 种 与 应 用
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第六章 耐热钢和高温合金
二、§耐热6.钢4 （γ常-F用e耐基热热钢强_奥钢氏体）
F型热稳定性钢：Cr13、Cr18、Cr25型 A型热稳定性钢：A型不锈钢加Si、Al
而得
性能：后者较前者更好的工艺性能和热
强性
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§6.1 钢的 热稳定性和 热稳定性钢
牌号 典型钢种 应用 热处理工艺？
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第六章 耐热钢和高温合金
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第六章 耐§热5钢和特高殊温性合能金钢
§6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢
服役条件：高温下工作（影响化学稳定性、降强度） 性能要求：
1、抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化能力 2、介质中抗腐蚀能力和足够韧性 3、良好加工性能和焊接性 4、合理的组织稳定性
用 途：制造工业加热炉、 热工动力机械（如内燃机）、 石油及化工机械与设备等。
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牌号有14Cr11MoV（1Cr11MoV）、
15Cr12WMoV（12Cr12WMoV)等,因这
种钢还有优良的消振性，最适宜
制造工作温度在600℃以下的汽
轮叶片，故又称叶片钢。
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来自百度文库
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第六章 耐热钢和高温合金
§6.3 α-Fe基热强钢
❖②中碳铬硅钢， 42Cr9Si2(4Cr9Si2,0.35~0.50%C)、 40Cr10Si2Mo(4,0.35~0.45%C)等，既有 良好的高温抗氧化性和热强性，还有较 高的硬度和耐磨性，最适合于制造工作 温度在750℃以下的发动机排气阀，故又 称排气阀钢。
抗氧化措施：
防止FeO形成； 提高其形成温度； 加入合金元素Cr、Al、Si形成其致密牢 固氧化物，防止Fe、O原子扩散
Al、Si加入有副作用，降强度增脆性
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第六章 耐热§钢5和特高殊温性合能金钢
§6.1 钢的热稳定性和热稳定性钢
①在钢表面生成致密稳定连续而牢固的Cr2O3、Al2O3、 SiO2氧化膜，但Al、Si明显增加钢的脆性，常与Cr一 起加入；当Cr达5％时，工作温度达600～650℃，达28 ％时，工作温度可达1100℃。
晶界空位填补：晶界易扩散，加B、Ti、Zr等填充晶界空位
晶界沉淀强化：晶界析出强化相，塑变滑移和断裂扩展受 阻，热强性提高，如析出Cr23C6
还有：形变强化处理
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第六章 耐热钢和高温合金
§6.3 α-Fe基热强钢
种类：P型热强钢、M型热强钢
特点：加热或冷却时，α、γ相间互转变，
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第六章 耐热钢和高温合金
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第六章 耐热钢和高温合金
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第六章 耐热钢和高温合金
二、耐热钢（常用耐热钢_高温合金）
航空、航天工业的喷气式发动机在800℃以上的高温 下长期承受一定的载荷工作，耐热钢已不能满足抗氧化 性尤其是热强性要求，此时便应采用高温合金，它包括 铁基、镍基、钴基。
工程材料A
第六章 耐热钢和高温合金
机电工程学院
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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 §6.2 金属的热强性 §6.3 α-Fe基热强钢 §6.4 γ -Fe基热强钢
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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
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三、耐磨钢
第六章 耐§热5钢和特高殊温性合能金钢
耐磨钢：
用于制造高耐磨性零件的特 颚
殊钢种；
式 破
广义上，高碳工具钢、一部 碎 机
分结构钢及合金铸钢均可用
挖掘机
于制造耐磨零件；
最重要的是：高锰耐磨钢。
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三、耐磨钢
第六章 耐§热5钢和特高殊温性合能金钢
措施：避开脆性区工作，加W、Mo，已发生 脆性采用600-650℃高温回火快冷消除
珠光体热强钢热处理： 正火+比使用温度高100℃下的高温回火
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第六章 耐§热5钢和特高殊温性合能金钢
§6.3 α-Fe基热强钢
二、马氏体热强钢
①低碳高铬型，Cr13型不锈钢加入
汽轮机叶片
Mo、W、V、Ti、Nb等元素而形成，
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。
失效：常时间高温工作+介质腐蚀，产生组织转变和 性能变化
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第六章 耐§热5钢和特高殊温性合能金钢
§6.1 §钢6的.3 热α稳-F定e基性热和强热钢稳定性钢
组织：细片P＋F，在600℃以下工作的热工动力机械和 石油化工设备。碳0.10%～0.40%；耐热性合金元素Cr、 Mo、W、V、Ti、Nb等强化铁素体并防止碳化物的球化 聚集长大以保证热强性。
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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
一、钢的抗氧化性能及其提高途径 失效：高温下强度不足、表面氧化腐蚀 要求：较好的热稳定性 热稳定性：钢在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀
的能力； 指标：g/m2.单位时间、单位面积上的氧化后质量
增加或减少的数值表示。 在其他条件相同时，减少质量或增加质量的程度
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第六章 耐§热5钢和特高殊温性合能金钢
§6.1 §钢6的.2 热金稳属定的性热和强热性稳定性钢
2、提高钢的热强性途径
①基体(固溶)强化元素Cr、Ni、W、Mn、Mo、Nb等，形成单相组 织并提高再结晶温度。
原理：提高原子结合力，降低扩散系数
②第二相沉淀强化元素V、Ti、Nb、Al等，形成细小弥散分布的 稳定碳化物(VC、TiC、NbC)或稳定性更高的金属间化合物(Ni3Ti、 Ni3Nb、Ni3Al)，获得第二相沉淀强化效果并提高组织稳定性。
第六章 耐热钢和高温合金
§6.2 金属的热强性
二、耐热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 A、软化因素
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）