稀土氧化物弥散强化铁基钢合金

氧化镧弥散强化铁基钢合金的制备及性能

研究

二期阅读汇报

第一章绪论

一、前言——延伸阅读《稀土氧化物掺杂钢合金工艺》

1.1固-固掺杂

在铁基体的粉末中直接添加稀土氧化物粉末，基体来自于高纯度的母合金锭制成的粉末，第二相即为纳米级稀土氧化物粉末。在制取掺杂粉末的过程中，一般采用机械混合法，用球磨机等设备将粉末机械地掺和均匀。掺杂粉末制取以后，再经压制成形、烧结、烧结后处理、轧制等工艺，最终制得所需的坯料、板材或线材等。在掺杂量比较大的情况下，固-固掺杂工艺是可行的，掺杂物可以比较均匀的分布在基体粉末中。它的优点是可以很好的控制掺杂量，生产周期短，易于组织生产及实现工业化。但是在掺杂量很少时，特别是制取低稀土钢材时，固-固掺杂就很难保证掺杂均匀，不均匀的粉末也就很难制出均匀的烧结坯，从而导致所制得的钢材性能不能达到理想要求。

1.2液-固掺杂

在掺杂量很少时，固-固掺杂很难保证掺杂的均匀性。为了解决这个问题，掺杂剂可以以溶液的方式掺杂在钢合金粉末中，即采用液-固掺杂方式。液-固掺杂是将稀土元素以稀土盐溶液的形式加入到钢合金粉中。在还原过程中，稀土盐分解，钢合金粉中的稀土元素以氧化物和稀土-铁复合氧化物的形式存在。掺杂钢合金粉末再经压制成形、烧结、烧

结后处理、轧制等工艺，最终制得所需的坯料、板材或线材等。

液-固掺杂是在固-固掺杂的方法上发展起来的，无论是高稀土掺杂还是低稀土掺杂，都可以保证稀土元素分布较均匀，掺杂量容易控制。但液-固掺杂的后续工序长，生产周期也较长，设备投入多，加入调浆不均或烘干时出现偏析的话，它的均匀性还是不好的。

1.3液-液掺杂

稀土氧化物在铁基体中主要起弥散强化作用，因此，弥散相的均匀分布有着重要意义。固-固掺杂和液-固掺杂都难以充分保证稀土元素在基体中均匀分布。如果将掺杂基体和掺杂剂都以溶液方式混合在一起，基体和掺杂元素的均匀性就必然好得多。

稀土氧化物液-液掺杂是一种新技术，目前研究和报道的很少。

二、钢的热强性

2.1高温蠕变

金属在高温下长时间承受载荷时，工件在远低于抗拉强度的应力作用下会产生连续塑性变形，这是零件的失效形式往往不是断裂而是尺寸超过允许变形量，这种塑性变形称为蠕变。高温时，材料受力作用时间越长，它的强度值越低。热强行表示金属在高温和在和长时间作用下抵抗蠕变和断

裂的能力，即高温强度。如图所示是典型的蠕变曲线。对于一定的材料，蠕变的大小是应力、温度和时间的函数。

蠕变曲线揭示了高温下金属强度本质的变化规律。可以认为，蠕变现象的本质是金属在高温和应力双重作用下金属强化和弱化（消强化）两个过程同时发生和发展的结果。在常温下，当金属承受的应力超过其屈服极限时，会发生变形，并由变形引起强化。当强化使强度与承受的应力相等时，会发生变形，并由变形引起强化。当强化时强度与承受的应力相等时，变形即告终止。这时，即使长时间承受应力，也不会有蠕变现象发生。可是如果金属受载时所处的温度超过该金属的再结晶温度，那么在形变强化的同时，金属组织中会发生回复及再结晶等一系列的消强化过程，则纯强化结果永远不能与外部载荷达到平衡，新的变形将持续产生，因而出现了蠕变现象。由于弱化过程需要一定的时间，所以蠕变的

变形量也是时间的函数。

2.2表证材料的热强行指标

表征材料的热强性指标主要有以下几种：

（1）蠕变极限：是指在一定温度下，在规定时间内使材料产生一定蠕变变形量的最大应力。如σ550

100000

/1

=68.6MN/m²，表示钢在550℃经105h工作或实验后，允许总变形量为1%时的应力为68.6MN/m²。

（2）持久强度：是指在规定的温度下（T），材料达到规定的持续时间（τ）而不发生断裂的最大应力，通常用

σT

τ表示，如σ700

1000

表示在700℃下，经1000h后的破坏应力。（3）持久寿命：是指材料在某一定温度和规定应力作

用下，从作用开始到拉断的时间，是表征材料在高温下对破断的抗力的指标。

（4）应力松弛：材料在高温长期应力作用下，其总变形量不变，材料中的应力随时间增长而自发地逐渐下降的现象称为应力松弛。

（5）机械疲劳：高温机械疲劳指金属材料抵抗高温疲劳能力的大小，用在一定温度下测得的疲劳极限来表示，疲劳极限表现一种材料对周期应力的承受能力。

（6）热疲劳：航空发动机叶片、导向叶片、涡轮盘等零部件经常在温度急剧交变的情况下工作，同样，电厂中汽轮机的部件也会出现由于温度交变而造成的损坏现象。

三、耐热钢及耐热合金

3.1提高耐热钢高温强度的措施

从材料的强度与晶体结构出发，提高耐热钢高温强度的措施有以下几个：

（1）强化基体，提高合金基体原子间的结构力，增大原子自扩散激活能。金属熔点越高，金属原子间结合将越强，耐热合金要选用熔点高的金属作为基体，铁基、镍基、钼基耐热合金的熔点依次升高。

（2）采用面立方结构的钢或合金。因为面心立方晶格比体心立方晶格致密度大，结合力强，再结晶温度高。

（3）强化晶界和改善晶界结构状态。提高晶界激活能，阻碍晶界运动。

（4）使晶粒粗化。高温使金属的破断与常温下不同，主要是沿晶界发生，晶粒粗大则晶界少，高温强度高。

（5）改变金属中位错组态。位错在滑移（或孪生）时受到运动阻力越大，则金属抗变形能力越大；而减缓位错的扩散、攀移也会抑制扩散形变。因此改变金属中位错组态对热强性的影响将起巨大的作用。

（6）弥散相强化。合金中的第二相质点周围存在应力场，这种应力场对位错运动有阻碍作用，因而可强化合金。这种强化作用效果取决于弥散相质点的大小、分布和高温下的稳定性。

（7）钢中加入能提高再结晶温度的合金元素如Cr、Mo，可提高钢的高温强度。

（8）采用适当的热处理。一方面耐热钢可以获得需要的晶粒度，另一方面可以改善强化相的分布状态，调整基体与强化相的成分。

3.2耐热钢分类

耐热钢的分类方法有很多，但主要有两种。

（1）按组织结构分类。由于耐热钢的化学成分及热处理工艺不同，根据钢的组织状态可分为以下几种：

①珠光体型耐热钢。这类耐热钢的组织主要是珠光体，一般在600℃以下工作，低合金铬钨钢、铬硅钢、铬镍铝钢是这类耐热钢的类型，在蒸汽轮机和锅炉制造中应用广泛。

②铁素体类型耐热钢。这类钢的组织是以铁素体为基体，一般在350~650℃温度范围内工作，06Cr13Si3、10Cr17、16Cr25N等钢种均属此类，由于它们具有优异的抗氧化和耐水溶液腐蚀的性能，因此在动力工业、石油等领域中获得了广泛应用。

③奥氏体型耐热钢。该类钢的组织以奥氏体为基体，可在600~870℃温度范围内工作，作为抗氧化钢可用到1200℃，代表性的钢种是含镍高于8%的铬镍奥氏体耐热钢，它们具有优异的抗氧化性能、良好的冶炼加工性能以及力学性能。因此在各类工业中应用广泛。