金属材料学第6章 耐热钢
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15Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等， 工作温度可在600℃左右。
常用于大功率火力发电机组。
1. 1Cr13, 2Cr13
Good oxidization resistance and corrosion resistance, but bad microstructure stability Manufacture turbine blades below 450℃
6.1 基本概念
1 金属的抗氧化性
铁氧化物类型有FeO、Fe2O3、Fe3O4三种。 FeO：结构疏松，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。
形
570℃以下，氧化膜由Fe2O3和Fe3O4组成；
成
570℃以上，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO
规
氧化物组成，约1:10:100.
700
例如： 1/10000 , 表示在700℃时，持续时间为 10000 h，产生蠕变总变形量为1%的蠕变极限。
2、持久强度 持久强度极限是试样在一定温度和规定的持续时
间内引起断裂的最大应力值，
如： 170=000300MPa，表示在700℃时，持续时间
为100 h的持久强度极限值为300 MPa。 3、高温疲劳强度
M+HTຫໍສະໝຸດ Baidu.
28
29
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；
直接作用
V Ti
间接作用
形成稳定MC型K， 弥散强化，↑热强度
(1)W and Mo ✓ Addition of W and Mo can eliminate Cr7C3 and
➢ Refractory steels: 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。
➢ Thermostable steels: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。
Category according to crystalline structure:
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。
4、应力松弛 应力松弛现象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。
蒸汽管道螺栓 需要经常拧紧
原子易发生扩散， 使弹性变形变成了 塑性变形,从而使 应力不断降低
2、强化晶界
净化晶界：杂质易偏聚在晶界，形成易熔夹杂物 →↓晶界强度。RE、B优先结合杂质，形成 高熔点化合物，异质晶核→从晶界转入晶内
填充空位：晶界上空位多，原子易快速扩散。B 易偏聚晶界，↓晶界空位。
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。
律
570℃以上铁的氧化过程大大地加速，遵守
抛物线规律
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
↑ FeO的形成温度 , 又优先形成稳定氧化物 →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
Cr、Al量高时，钢的表面可生成致密的
of ferrite + martensite, sequent high-temp. tempering;
Quenching → martensite, sequent high-temp.
tempering;
Creep-rupture strength: M+HTT＞GB+HTT＞
F+P;
Creep-rupture plasticity: F+P＞GB+HTT＞
≥0.5% → weak strengthening effect
26
(2) Precipitation hardening
MC＞M2C＞M6C＞M7C3 V, Ti, Nb → MC W, Mo →M2C and M6C(Fe3W3C and Fe3Mo3C) Lower content Cr → cementite (Fe,Cr)3C,
❖ 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。
6.1.2 钢的热强性
一、钢的热强性能指标
1、蠕变及蠕变极限
蠕变极限是试样在一定温度下和在规定的 持续时间内，产生的蠕变变形量（总的或残余 的）或蠕变速率等于某规定值时的最大应力。
Si：↑抗氧化性的辅助元素。但效果比Al还要有 效，使钢脆性大，用Si代替部分Cr。↑G化， ↑K聚集长大。一般在2~3%Si。 用于渗碳罐，抗渗性好。
Ni：获得奥氏体组织
Ti、Nb、V：形成稳定K，↑钢松弛稳定性， ↑热强性
C：较低温度时强化钢，↑G化，↑K聚集长 大→ 尽可能↓C。
6.2 热强钢
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
处于初紧预应 紧 力状态工作 固 件
↑C
↑Cr/ Mo/ V
高的屈服强度、 松弛稳定性， 缺口敏感性小， 一定抗氧化性
常用钢：35CrMoV、25Cr2MoV钢常用作中压 气轮机的螺栓和螺母材料，25Cr2Mo1V钢 在高压电厂中广泛使用
Category according to the quantity of alloy elements:
➢ Low alloy pearlite-type heat-resistant steels: Developed based on low alloy structural steels.
二、提高热强性的途径 1、强化基体
基体金属熔点：↑Tm，↑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
常用合金元素对工业纯铁蠕变极限的影响
Higher content Cr (≥2-3%) → (Cr,Fe)7C3.
27
(3) Microstructure hardening 12Cr1MoV：Aus. Temp. 980℃
Furnace cooling → ferrite + pearlite; Air cooling → granular bainite + a small amount
Classifications of refractory alloys
➢ According to type of basic alloy elements:
✓ Fe-based refractory alloys: Basing on Fe, total amount of alloy elements is larger than 50％.
4、热处理
↑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
Mo、W：↑低合金热强性重要元素。固溶强化， 析出稳定相。
Al：↑抗氧化性的有效元素。 在1000℃时， 6%Al≈18%Cr水平。↓冶金工 艺性，使钢变脆。→ 不能单独加入，作为辅助 合金化元素。
2. Cr12-type
Based on Cr12 martensite heat-resistant steels Addition of Mo, W, V, Nb, N and B Manufacture turbine blades under 570 ℃
35
Effect of alloy elements:
➢ Austenite-type
resistance ➢ Ferrite-type
for oxidization
➢ Martensite-type for high-strength
➢ PH-type (precipitation hardening)
❖ 耐热钢和高温合金的使用温度范围十分宽广，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）Tm ℃以上的温度。
三、转子用钢
主轴、叶轮 转 或整锻转子 子
过热蒸汽，复杂应 力（扭/弯/热等）
热强性，沿轴向、径向均匀一致 的综合力学性能→淬透性。
常用钢：汽轮机叶轮常用中碳珠光体热强钢 制造。如35Cr2MoV、33Cr3WMoV钢
6.2.2 马氏体热强钢
一、叶片用钢
在Crl3型马氏体不锈钢的基础上进一步 合金化发展了Crl2型马氏体耐热钢。
6.2.1 珠光体热强钢 按用途主要有锅炉钢管、紧固件和转子用
钢等几大类。
一、锅炉钢管用珠光体热强钢
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
Strengthening methods:
(1)Solid solution strengthening
Addition of W, Mo and Cr (less than 5%) W and Mo soluble in α-matrix, increase atomic bonding strength, recrystallization temp. and creep resistance. Cr≤0.5% → significant strengthening effect
Cr2O3或Al2O3保护膜。
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，
如Al2O3、SiO2、Cr2O3等→致密、稳定。
Concepts and classifications
Heat-resistant steels and refractory alloys: Metallic materials possess required strength, oxidization-resistance and anti-corrosion ability at high-temp.
✓ Ni(Co)-based refractory: Basing on nickel or cobalt.
➢ According to processing methods: ✓ Deformation refractory alloys ✓ Cast refractory alloys ✓ Powder-metallurgical refractory alloys
➢ High alloy heat-resistant steels for special purpose: Developed based on stainless steels.
Heat-resistant steels for special purpose:
Refractory steels(热强钢) and thermostable steels(热稳定钢)according to application properties.
第6章 耐热钢及铁基耐热合金
蒸汽锅炉、蒸汽涡轮，航空工业的喷气发动机， 以及航天、舰船、石油和化工等工业部门的许多工 作部件在高温下工作。因为是在高温下服役，所以 这些零部件技术要求比较苛刻。通常把在高温条件 工作的钢称为耐热钢。
耐热钢应具有两方面的基本性能，一是有良好的 高温强度和塑性，二是有足够高的高温稳定性。根 据不同服役条件，常常将耐热钢分为热强钢和热稳 定性钢两大类。
➢ According to strengthening methods: ✓ Solid solution strengthening type ✓ PH-type ✓ Intermetallics-type ✓ Oxidization dispersion strengthing-type ✓ Fiber strengthing-type
常用于大功率火力发电机组。
1. 1Cr13, 2Cr13
Good oxidization resistance and corrosion resistance, but bad microstructure stability Manufacture turbine blades below 450℃
6.1 基本概念
1 金属的抗氧化性
铁氧化物类型有FeO、Fe2O3、Fe3O4三种。 FeO：结构疏松，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。
形
570℃以下，氧化膜由Fe2O3和Fe3O4组成；
成
570℃以上，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO
规
氧化物组成，约1:10:100.
700
例如： 1/10000 , 表示在700℃时，持续时间为 10000 h，产生蠕变总变形量为1%的蠕变极限。
2、持久强度 持久强度极限是试样在一定温度和规定的持续时
间内引起断裂的最大应力值，
如： 170=000300MPa，表示在700℃时，持续时间
为100 h的持久强度极限值为300 MPa。 3、高温疲劳强度
M+HTຫໍສະໝຸດ Baidu.
28
29
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；
直接作用
V Ti
间接作用
形成稳定MC型K， 弥散强化，↑热强度
(1)W and Mo ✓ Addition of W and Mo can eliminate Cr7C3 and
➢ Refractory steels: 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。
➢ Thermostable steels: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。
Category according to crystalline structure:
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。
4、应力松弛 应力松弛现象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。
蒸汽管道螺栓 需要经常拧紧
原子易发生扩散， 使弹性变形变成了 塑性变形,从而使 应力不断降低
2、强化晶界
净化晶界：杂质易偏聚在晶界，形成易熔夹杂物 →↓晶界强度。RE、B优先结合杂质，形成 高熔点化合物，异质晶核→从晶界转入晶内
填充空位：晶界上空位多，原子易快速扩散。B 易偏聚晶界，↓晶界空位。
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。
律
570℃以上铁的氧化过程大大地加速，遵守
抛物线规律
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
↑ FeO的形成温度 , 又优先形成稳定氧化物 →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
Cr、Al量高时，钢的表面可生成致密的
of ferrite + martensite, sequent high-temp. tempering;
Quenching → martensite, sequent high-temp.
tempering;
Creep-rupture strength: M+HTT＞GB+HTT＞
F+P;
Creep-rupture plasticity: F+P＞GB+HTT＞
≥0.5% → weak strengthening effect
26
(2) Precipitation hardening
MC＞M2C＞M6C＞M7C3 V, Ti, Nb → MC W, Mo →M2C and M6C(Fe3W3C and Fe3Mo3C) Lower content Cr → cementite (Fe,Cr)3C,
❖ 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。
6.1.2 钢的热强性
一、钢的热强性能指标
1、蠕变及蠕变极限
蠕变极限是试样在一定温度下和在规定的 持续时间内，产生的蠕变变形量（总的或残余 的）或蠕变速率等于某规定值时的最大应力。
Si：↑抗氧化性的辅助元素。但效果比Al还要有 效，使钢脆性大，用Si代替部分Cr。↑G化， ↑K聚集长大。一般在2~3%Si。 用于渗碳罐，抗渗性好。
Ni：获得奥氏体组织
Ti、Nb、V：形成稳定K，↑钢松弛稳定性， ↑热强性
C：较低温度时强化钢，↑G化，↑K聚集长 大→ 尽可能↓C。
6.2 热强钢
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
处于初紧预应 紧 力状态工作 固 件
↑C
↑Cr/ Mo/ V
高的屈服强度、 松弛稳定性， 缺口敏感性小， 一定抗氧化性
常用钢：35CrMoV、25Cr2MoV钢常用作中压 气轮机的螺栓和螺母材料，25Cr2Mo1V钢 在高压电厂中广泛使用
Category according to the quantity of alloy elements:
➢ Low alloy pearlite-type heat-resistant steels: Developed based on low alloy structural steels.
二、提高热强性的途径 1、强化基体
基体金属熔点：↑Tm，↑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
常用合金元素对工业纯铁蠕变极限的影响
Higher content Cr (≥2-3%) → (Cr,Fe)7C3.
27
(3) Microstructure hardening 12Cr1MoV：Aus. Temp. 980℃
Furnace cooling → ferrite + pearlite; Air cooling → granular bainite + a small amount
Classifications of refractory alloys
➢ According to type of basic alloy elements:
✓ Fe-based refractory alloys: Basing on Fe, total amount of alloy elements is larger than 50％.
4、热处理
↑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
Mo、W：↑低合金热强性重要元素。固溶强化， 析出稳定相。
Al：↑抗氧化性的有效元素。 在1000℃时， 6%Al≈18%Cr水平。↓冶金工 艺性，使钢变脆。→ 不能单独加入，作为辅助 合金化元素。
2. Cr12-type
Based on Cr12 martensite heat-resistant steels Addition of Mo, W, V, Nb, N and B Manufacture turbine blades under 570 ℃
35
Effect of alloy elements:
➢ Austenite-type
resistance ➢ Ferrite-type
for oxidization
➢ Martensite-type for high-strength
➢ PH-type (precipitation hardening)
❖ 耐热钢和高温合金的使用温度范围十分宽广，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）Tm ℃以上的温度。
三、转子用钢
主轴、叶轮 转 或整锻转子 子
过热蒸汽，复杂应 力（扭/弯/热等）
热强性，沿轴向、径向均匀一致 的综合力学性能→淬透性。
常用钢：汽轮机叶轮常用中碳珠光体热强钢 制造。如35Cr2MoV、33Cr3WMoV钢
6.2.2 马氏体热强钢
一、叶片用钢
在Crl3型马氏体不锈钢的基础上进一步 合金化发展了Crl2型马氏体耐热钢。
6.2.1 珠光体热强钢 按用途主要有锅炉钢管、紧固件和转子用
钢等几大类。
一、锅炉钢管用珠光体热强钢
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
Strengthening methods:
(1)Solid solution strengthening
Addition of W, Mo and Cr (less than 5%) W and Mo soluble in α-matrix, increase atomic bonding strength, recrystallization temp. and creep resistance. Cr≤0.5% → significant strengthening effect
Cr2O3或Al2O3保护膜。
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，
如Al2O3、SiO2、Cr2O3等→致密、稳定。
Concepts and classifications
Heat-resistant steels and refractory alloys: Metallic materials possess required strength, oxidization-resistance and anti-corrosion ability at high-temp.
✓ Ni(Co)-based refractory: Basing on nickel or cobalt.
➢ According to processing methods: ✓ Deformation refractory alloys ✓ Cast refractory alloys ✓ Powder-metallurgical refractory alloys
➢ High alloy heat-resistant steels for special purpose: Developed based on stainless steels.
Heat-resistant steels for special purpose:
Refractory steels(热强钢) and thermostable steels(热稳定钢)according to application properties.
第6章 耐热钢及铁基耐热合金
蒸汽锅炉、蒸汽涡轮，航空工业的喷气发动机， 以及航天、舰船、石油和化工等工业部门的许多工 作部件在高温下工作。因为是在高温下服役，所以 这些零部件技术要求比较苛刻。通常把在高温条件 工作的钢称为耐热钢。
耐热钢应具有两方面的基本性能，一是有良好的 高温强度和塑性，二是有足够高的高温稳定性。根 据不同服役条件，常常将耐热钢分为热强钢和热稳 定性钢两大类。
➢ According to strengthening methods: ✓ Solid solution strengthening type ✓ PH-type ✓ Intermetallics-type ✓ Oxidization dispersion strengthing-type ✓ Fiber strengthing-type