工程材料--特殊性能钢
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T0
晶内 T
㈡ 常用耐热钢
1、珠光体耐热钢
常用钢号为15CrMo、
12Cr1MoV，是低合
金钢。
涡轮机机壳
⑴ 合金元素作用：
锅炉管
Cr提高抗氧化性；
Mo提高热强性(T再)； V弥散强化。
⑵ 热处理： 正火+高温回火
⑶ 组织: F+P
⑷ 用途：600℃以下的锅炉零件,压力容器， 热交换器等。
2、马氏体耐热钢
避免晶界贫Cr---1Cr18Ni9Ti
应力腐蚀: 奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环 境体系中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。应力 腐蚀易在含Clˉ的介质中发生，裂纹为树枝状。
体发
不生
应 力 腐 蚀 裂 纹
锈应 钢力 管腐 道蚀 内奥 壁氏
⑷ 热处理
固溶处理: 加热到1100℃使碳化物溶解后水冷。 稳定化处理: 主要用于含Ti、Nb的不锈钢。850 ~880℃使铬的碳化物溶解, Ti、Nb碳化物保留. 消除残余应力 : 300~350℃消除冷加工应力;
3、奥氏体耐热钢 最典型钢号是1Cr18Ni9Ti。 Cr的作用是提高抗氧化性； Ni的作用是获得单相奥氏体； Ti的作用是弥散强化。 热处理采用固溶处理 组织为单相A。 主要用于过热器管道等。
过热器管排 过热器集箱
(三)常用耐热合金----镍基合金、钴基合金
Ni基合金：[ Cr20Ni80＋合元W、Mo、Co等 ] 制成
不锈钢的晶间腐蚀:
晶间腐蚀是沿晶界发生腐蚀的现象，危害很大。 原因: 在晶界析出Cr23C6，使晶界附近Cr含量降 到12%以下，在介质作用下发生强烈腐蚀。 防止晶间腐蚀的措施: 1)进一步降低含碳量, C≤0.08%---0Cr18Ni9
C≤0.03%---00Cr18Ni9 2)加 Ti、Nb定碳, 使Ti、Nb优先与C形成碳化物,
个电极; 2)存在电解质溶液; 3)两个电极连通.
满足上述条件就构 成了腐蚀微电池.
金属材料中微电池:
金属材料防止电化学腐蚀的措施：
① 获得均匀的单相组织---加Ni ② 提高合金的电极电位---加Cr ③ 使表面形成致密的钝化膜。 ④ 其它方法:
涂料、阴极保护、外加电流保护等
㈡ 不锈钢中合金元素的作用 1、低碳：碳高，则降低耐蚀性 2、Cr:是提高耐蚀性的主要元素
作业：P180 26
气轮机叶 片
2、高的热强性
热强性是指金属在高温下的强度，与温度 和时间有关。
指标为蠕变强度和持久强度。 蠕变指金属在高温低于σs的应力下所发生 的极其缓慢的塑性变形。
▲蠕变极限:是指在一定温度下，在Biblioteka Baidu定时间内，
产生一定量变形，材料所能承受的最大应力。
T
/
t
600 0.1/1000
88MPa
表示在600℃ ，1000小时内，引起0.1%变 形量所能承受的最大应力是88MPa.
渗碳+淬火+低 温回火
调质处理
Cr:提高淬透性
淬火+低温回火
Cr:提高淬透性，耐磨性、 耐蚀性
淬火+低温回火
表: M回+颗粒状碳化物+A’心: M回+F
S回
M回+颗粒状碳化物+A’ (少量)
M回+颗粒状碳化物+A’ (少量)
Cr:提高耐蚀性
Cr、Ni:提高淬透性，强化F
Mo:防止高温回火脆性
Mo:细化晶粒，提高耐磨性
5CrNiMo 热作模具钢
Cr12MoV 冷作模具钢
W18Cr4V 高速钢
1Cr18Ni9Ti 不锈钢
合金元素的主要作用 热处理特点
使用状态下组织
Mn:强化F，增加P量，降 低冷脆转变温度
热轧空冷
F+P
Mn:提高淬透性，强化F
Mn:获得单相A组织
淬火+中温回火 T回
水韧处理
表:M+碳化物
心:A
Cr:提高淬透性，强化F Cr:提高淬透性，强化F
①形成稳定致密的Cr2O3氧化膜. ②提高基体电极电位(n/8规律) 3、Ni:获得单相奥氏体组织。 4、Mo:耐有机酸腐蚀。 5、Ti,Nb防止奥氏体钢晶间腐蚀
㈢ 常用不锈钢
1、马氏体不锈钢
主要是Cr13型不锈钢 钢号为1Cr13~4Cr13 随含碳量提高，强度、硬度 提高，耐蚀性下降。 ⑴ 1Cr13、2Cr13 热处理: 淬火+高温回火 使用状态下的组织: S回
不锈钢棒
1Cr13、2Cr13具有 耐大气、蒸汽腐蚀 能力及良好的综合 力学性能。
汽轮机叶片
透平转轮
用于要求塑韧性较 高的耐蚀件，如汽 轮机叶片等。
⑵ 3Cr13、4Cr13 热处理：淬火+低温回火。 使用状态下的组织：M回。 具有较高强度、硬度。 用于要求耐蚀、耐磨件，医疗 器械、量具等。
不锈钢刀
常用钢号为1Cr13、 1Cr11MoV、4Cr9Si2等 ⑴ 合金元素作用： Cr、Si提高抗氧化性； Mo提高热强性(T再)； V弥散强化。 ⑵ 热处理：调质。 ⑶ 组织： S回。 ⑷ 用途：1Cr13、1Cr11MoV
用于550℃以下汽轮机叶片；
4Cr9Si2是汽车阀门用钢。
汽轮机叶片
汽车阀门
医疗器械
牌号
HT
组织 应用举例
1Cr13 1050℃淬 回S 快艇艉轴、汽
2Cr13 700 ℃回
轮机叶片
3Cr13 1050℃淬 回T 500 ℃回
弹性器械 （如弹簧）
4Cr13 1050℃淬 回M 刃具、轴承 250 ℃回
2、铁素体不锈钢 典型钢号如0Cr13、
1Cr17等。 ⑴ 成分：高铬低碳
⑸ 用途 广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。
硝酸生产装置
铁素体不 锈钢制品
3、奥氏体不锈钢 主要是18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。 ⑴ 成分特点: Cr提高基体电极电位
Ni扩大奥氏体区,形成单相组织. ⑵ 组织为单相奥氏体。 ⑶ 性能特点：具有良好的耐蚀性，冷热加工性 及可焊性。高的塑韧性,无磁性。
>850 ℃消除焊接残余应力.
常用钢种及应用: 1Cr18Ni9、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti---潜艇的声纳导流罩 0Cr18Ni9-----一般管路
二、耐热钢
钢的耐热性包括高温抗 氧化性和高温热强性。
㈠ 性能要求 1、抗氧化性/热稳定性
指钢在高温下对氧化作用的抗力. FeO疏松多孔,易剥离, 钢中加入 Cr、Si、Al可形成致密、稳定 的合金氧化膜，阻碍氧进一步 扩散，提高抗氧化性。
铁素体不锈钢水加热器
1Cr17削片刀
⑵ 无α↔γ相变，不 能进行热处理强化。
⑶ 组织：单相铁素体
⑷ 性能特点 耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好。但有脆
化倾向:
① 475℃脆化：加热到450~550℃停留，产生 脆化。再加热到600℃快冷可消除。
② 相脆化： 在600~ 800℃长期加热时，析出硬而脆的相。
第五节 特殊性能钢
特殊性能钢是指具有特殊物理、 化学性能的钢。
本节只介绍不锈钢和耐热钢。
一、不锈钢
在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。 ㈠ 金属的腐蚀 金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀。 化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。 电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀， 是有电流参与作用的腐蚀。
电化学腐蚀条件: 1)电极电位不同的两
强化机理：固溶强化＋ 析出强化 使用温度： 900～1000℃ 牌号、应用 牌号---GHxxxx、Kxxx
应用---燃气轮机叶片、燃烧室
钢号
钢种
Q345
低合金高强 度结构钢
65Mn
弹簧钢
ZGMn13 耐磨钢
20Cr
渗碳钢
40Cr
调质钢
9SiCr
低合金工具钢
GCr15 滚动轴承钢
1Cr13
马氏体不锈钢
V:提高耐磨性、热硬性
淬火+高温回火 S回
淬火+高温回火 S回
淬火+低温回火 淬火+低温回火
M回+颗粒状碳化物+A’ (少量)
M回+颗粒状碳化物+A’ (少量)
Ti:防止晶间腐蚀
固溶处理
A
小结
金属腐蚀的一般概念、提高金属耐蚀性的措施 常用不锈钢的牌号、合金元素的作用、性能特 点及用途 耐热性的一般概念、提高耐热性的途径 常用耐热钢的牌号、合金元素的作用、性能特 点及用途
▲持久强度:是指在一定温度下,在规定时间内材料
断裂所能承受的最大应力.
T t
800 100
186MPa
表示是60MPa在 800 ℃,约100小时所能承
受的最大断裂应力为186MPa.
3、提高高温强度的途径:
① 固溶强化; ② 析出强化；
σ 晶界
③ 晶界强化:
1)净化晶界
2)填充晶界
加入B、Zr等降低晶 界能量.
晶内 T
㈡ 常用耐热钢
1、珠光体耐热钢
常用钢号为15CrMo、
12Cr1MoV，是低合
金钢。
涡轮机机壳
⑴ 合金元素作用：
锅炉管
Cr提高抗氧化性；
Mo提高热强性(T再)； V弥散强化。
⑵ 热处理： 正火+高温回火
⑶ 组织: F+P
⑷ 用途：600℃以下的锅炉零件,压力容器， 热交换器等。
2、马氏体耐热钢
避免晶界贫Cr---1Cr18Ni9Ti
应力腐蚀: 奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环 境体系中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。应力 腐蚀易在含Clˉ的介质中发生，裂纹为树枝状。
体发
不生
应 力 腐 蚀 裂 纹
锈应 钢力 管腐 道蚀 内奥 壁氏
⑷ 热处理
固溶处理: 加热到1100℃使碳化物溶解后水冷。 稳定化处理: 主要用于含Ti、Nb的不锈钢。850 ~880℃使铬的碳化物溶解, Ti、Nb碳化物保留. 消除残余应力 : 300~350℃消除冷加工应力;
3、奥氏体耐热钢 最典型钢号是1Cr18Ni9Ti。 Cr的作用是提高抗氧化性； Ni的作用是获得单相奥氏体； Ti的作用是弥散强化。 热处理采用固溶处理 组织为单相A。 主要用于过热器管道等。
过热器管排 过热器集箱
(三)常用耐热合金----镍基合金、钴基合金
Ni基合金：[ Cr20Ni80＋合元W、Mo、Co等 ] 制成
不锈钢的晶间腐蚀:
晶间腐蚀是沿晶界发生腐蚀的现象，危害很大。 原因: 在晶界析出Cr23C6，使晶界附近Cr含量降 到12%以下，在介质作用下发生强烈腐蚀。 防止晶间腐蚀的措施: 1)进一步降低含碳量, C≤0.08%---0Cr18Ni9
C≤0.03%---00Cr18Ni9 2)加 Ti、Nb定碳, 使Ti、Nb优先与C形成碳化物,
个电极; 2)存在电解质溶液; 3)两个电极连通.
满足上述条件就构 成了腐蚀微电池.
金属材料中微电池:
金属材料防止电化学腐蚀的措施：
① 获得均匀的单相组织---加Ni ② 提高合金的电极电位---加Cr ③ 使表面形成致密的钝化膜。 ④ 其它方法:
涂料、阴极保护、外加电流保护等
㈡ 不锈钢中合金元素的作用 1、低碳：碳高，则降低耐蚀性 2、Cr:是提高耐蚀性的主要元素
作业：P180 26
气轮机叶 片
2、高的热强性
热强性是指金属在高温下的强度，与温度 和时间有关。
指标为蠕变强度和持久强度。 蠕变指金属在高温低于σs的应力下所发生 的极其缓慢的塑性变形。
▲蠕变极限:是指在一定温度下，在Biblioteka Baidu定时间内，
产生一定量变形，材料所能承受的最大应力。
T
/
t
600 0.1/1000
88MPa
表示在600℃ ，1000小时内，引起0.1%变 形量所能承受的最大应力是88MPa.
渗碳+淬火+低 温回火
调质处理
Cr:提高淬透性
淬火+低温回火
Cr:提高淬透性，耐磨性、 耐蚀性
淬火+低温回火
表: M回+颗粒状碳化物+A’心: M回+F
S回
M回+颗粒状碳化物+A’ (少量)
M回+颗粒状碳化物+A’ (少量)
Cr:提高耐蚀性
Cr、Ni:提高淬透性，强化F
Mo:防止高温回火脆性
Mo:细化晶粒，提高耐磨性
5CrNiMo 热作模具钢
Cr12MoV 冷作模具钢
W18Cr4V 高速钢
1Cr18Ni9Ti 不锈钢
合金元素的主要作用 热处理特点
使用状态下组织
Mn:强化F，增加P量，降 低冷脆转变温度
热轧空冷
F+P
Mn:提高淬透性，强化F
Mn:获得单相A组织
淬火+中温回火 T回
水韧处理
表:M+碳化物
心:A
Cr:提高淬透性，强化F Cr:提高淬透性，强化F
①形成稳定致密的Cr2O3氧化膜. ②提高基体电极电位(n/8规律) 3、Ni:获得单相奥氏体组织。 4、Mo:耐有机酸腐蚀。 5、Ti,Nb防止奥氏体钢晶间腐蚀
㈢ 常用不锈钢
1、马氏体不锈钢
主要是Cr13型不锈钢 钢号为1Cr13~4Cr13 随含碳量提高，强度、硬度 提高，耐蚀性下降。 ⑴ 1Cr13、2Cr13 热处理: 淬火+高温回火 使用状态下的组织: S回
不锈钢棒
1Cr13、2Cr13具有 耐大气、蒸汽腐蚀 能力及良好的综合 力学性能。
汽轮机叶片
透平转轮
用于要求塑韧性较 高的耐蚀件，如汽 轮机叶片等。
⑵ 3Cr13、4Cr13 热处理：淬火+低温回火。 使用状态下的组织：M回。 具有较高强度、硬度。 用于要求耐蚀、耐磨件，医疗 器械、量具等。
不锈钢刀
常用钢号为1Cr13、 1Cr11MoV、4Cr9Si2等 ⑴ 合金元素作用： Cr、Si提高抗氧化性； Mo提高热强性(T再)； V弥散强化。 ⑵ 热处理：调质。 ⑶ 组织： S回。 ⑷ 用途：1Cr13、1Cr11MoV
用于550℃以下汽轮机叶片；
4Cr9Si2是汽车阀门用钢。
汽轮机叶片
汽车阀门
医疗器械
牌号
HT
组织 应用举例
1Cr13 1050℃淬 回S 快艇艉轴、汽
2Cr13 700 ℃回
轮机叶片
3Cr13 1050℃淬 回T 500 ℃回
弹性器械 （如弹簧）
4Cr13 1050℃淬 回M 刃具、轴承 250 ℃回
2、铁素体不锈钢 典型钢号如0Cr13、
1Cr17等。 ⑴ 成分：高铬低碳
⑸ 用途 广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。
硝酸生产装置
铁素体不 锈钢制品
3、奥氏体不锈钢 主要是18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。 ⑴ 成分特点: Cr提高基体电极电位
Ni扩大奥氏体区,形成单相组织. ⑵ 组织为单相奥氏体。 ⑶ 性能特点：具有良好的耐蚀性，冷热加工性 及可焊性。高的塑韧性,无磁性。
>850 ℃消除焊接残余应力.
常用钢种及应用: 1Cr18Ni9、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti---潜艇的声纳导流罩 0Cr18Ni9-----一般管路
二、耐热钢
钢的耐热性包括高温抗 氧化性和高温热强性。
㈠ 性能要求 1、抗氧化性/热稳定性
指钢在高温下对氧化作用的抗力. FeO疏松多孔,易剥离, 钢中加入 Cr、Si、Al可形成致密、稳定 的合金氧化膜，阻碍氧进一步 扩散，提高抗氧化性。
铁素体不锈钢水加热器
1Cr17削片刀
⑵ 无α↔γ相变，不 能进行热处理强化。
⑶ 组织：单相铁素体
⑷ 性能特点 耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好。但有脆
化倾向:
① 475℃脆化：加热到450~550℃停留，产生 脆化。再加热到600℃快冷可消除。
② 相脆化： 在600~ 800℃长期加热时，析出硬而脆的相。
第五节 特殊性能钢
特殊性能钢是指具有特殊物理、 化学性能的钢。
本节只介绍不锈钢和耐热钢。
一、不锈钢
在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。 ㈠ 金属的腐蚀 金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀。 化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。 电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀， 是有电流参与作用的腐蚀。
电化学腐蚀条件: 1)电极电位不同的两
强化机理：固溶强化＋ 析出强化 使用温度： 900～1000℃ 牌号、应用 牌号---GHxxxx、Kxxx
应用---燃气轮机叶片、燃烧室
钢号
钢种
Q345
低合金高强 度结构钢
65Mn
弹簧钢
ZGMn13 耐磨钢
20Cr
渗碳钢
40Cr
调质钢
9SiCr
低合金工具钢
GCr15 滚动轴承钢
1Cr13
马氏体不锈钢
V:提高耐磨性、热硬性
淬火+高温回火 S回
淬火+高温回火 S回
淬火+低温回火 淬火+低温回火
M回+颗粒状碳化物+A’ (少量)
M回+颗粒状碳化物+A’ (少量)
Ti:防止晶间腐蚀
固溶处理
A
小结
金属腐蚀的一般概念、提高金属耐蚀性的措施 常用不锈钢的牌号、合金元素的作用、性能特 点及用途 耐热性的一般概念、提高耐热性的途径 常用耐热钢的牌号、合金元素的作用、性能特 点及用途
▲持久强度:是指在一定温度下,在规定时间内材料
断裂所能承受的最大应力.
T t
800 100
186MPa
表示是60MPa在 800 ℃,约100小时所能承
受的最大断裂应力为186MPa.
3、提高高温强度的途径:
① 固溶强化; ② 析出强化；
σ 晶界
③ 晶界强化:
1)净化晶界
2)填充晶界
加入B、Zr等降低晶 界能量.