《工程材料学》课件：Chapter 8Heat-resistant Steel and Superalloy.ppt

1、1Chapter 8 Heat-resistant Steel and Superalloy Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCUContentsu Introductionu Thermal stability of the steelu Hot strength of the metal u Heat Resistant Ferritic Steel u Heat Resistant Austenite Steel 2Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU31

2、1 Introduction（1）定义：）定义：高温下工作高温下工作并具有一定并具有一定强度和抗氧化、耐腐强度和抗氧化、耐腐蚀能力蚀能力的钢种。的钢种。 温度变化温度变化化学稳定性、钢的强度化学稳定性、钢的强度（2）性能要求：）性能要求：抗蠕变、抗热松弛、抗热疲劳、抗氧化；抗蠕变、抗热松弛、抗热疲劳、抗氧化；耐腐蚀、足够的韧性；耐腐蚀、足够的韧性；良好的加工工艺性、焊接性；良好的加工工艺性、焊接性；组织稳定性组织稳定性蠕变蠕变金属在一定温度和一定应力作用下，随着时间的推移金属在一定温度和一定应力作用下，随着时间的推移缓慢地发生塑性变形缓慢地发生塑性变形的现象。的现象。 Engineering

3、MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU1 1 Introduction（3）耐热钢的分类：）耐热钢的分类：热稳定钢（不起皮钢、抗氧化钢）热稳定钢（不起皮钢、抗氧化钢）在高温下在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀抗氧化或抗高温介质腐蚀而不破坏的钢种。而不破坏的钢种。炉底板、炉栅等；炉底板、炉栅等；承受载荷不大承受载荷不大失效形式：高温氧化失效形式：高温氧化。热强钢热强钢在高温下有一定抗氧化能力并在高温下有一定抗氧化能力并具有足够强度具有足够强度而不产生而不产生大量变形或断裂的钢种。大量变形或断裂的钢种。高温螺栓、涡轮叶片等高温螺栓、涡轮叶片等失效形式：失效形式：

4、高温下强度不够，发生变形或断裂高温下强度不够，发生变形或断裂4Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU52 2 Thermal stability of the steel钢的抗氧化性能及其提高途径钢的抗氧化性能及其提高途径热稳定钢热稳定钢Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU62 2 Thermal stability of the steel一、钢的抗氧化性能及其提高途径一、钢的抗氧化性能及其提高途径钢的热稳定性：钢的热稳定性：指钢在高温下指钢在高温下抗氧化或抗高温

5、介质抗氧化或抗高温介质腐蚀腐蚀的能力。的能力。表征表征：单位时间、单位面积上：单位时间、单位面积上氧化氧化后质量增加或减后质量增加或减少的数值少的数值g/m2。形成致密氧化膜形成致密氧化膜Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU72 2 Thermal stability of the steel一、钢的抗氧化性能及其提高途径一、钢的抗氧化性能及其提高途径铁与氧的化合物：铁与氧的化合物：FeO, Fe2O3, Fe3O4 560，底层形成厚的，底层形成厚的FeO内部疏松、易氧化内部疏松、易氧化（点阵结构简单，是铁原子的缺位固溶体，铁

6、离子容易扩散点阵结构简单，是铁原子的缺位固溶体，铁离子容易扩散进进FeO中，氧原子也易于向内扩散，加剧氧化中，氧原子也易于向内扩散，加剧氧化）Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU82 2 Thermal stability of the steel一、钢的抗氧化性能及其提高途径一、钢的抗氧化性能及其提高途径提高途径提高途径：（1）防止）防止FeO的形成或提高形成温度的形成或提高形成温度 加入合金元素加入合金元素Cr, Al, Si等等 形成致密氧化膜、提高形成致密氧化膜、提高FeO形成温度形成温度（2）控制含）控制含C量量0.1

7、0.2%, 保证保证Cr含量含量（3）加入）加入Re会增强氧化膜结合力会增强氧化膜结合力（4）渗金属（）渗金属（Cr, Al, Si)Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU92 2 Thermal stability of the steel二、热稳定钢（抗氧化钢、不起皮钢）（二、热稳定钢（抗氧化钢、不起皮钢）（表表6.16.1）F F型热稳定钢：型热稳定钢：在在F F不锈钢基础上进行不锈钢基础上进行抗氧化合金化抗氧化合金化形成的。形成的。单相单相F F，易于得到连续氧化膜，易于得到连续氧化膜 包括包括Cr13Cr13型、型、Cr

8、18Cr18型、型、Cr25Cr25型等型等 特点：特点：晶粒粗大、韧性低、抗氧化性能好晶粒粗大、韧性低、抗氧化性能好A A型热稳定钢：型热稳定钢：在在A A不锈钢基础上进行抗氧化合金化不锈钢基础上进行抗氧化合金化形成的。形成的。好的工艺性能及热强性。好的工艺性能及热强性。合金化元素合金化元素SiSi、AlAlEngineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU2 2 Thermal stability of the steel二、热稳定钢（不起皮钢）（二、热稳定钢（不起皮钢）（表表6.16.1）A A型热稳定钢发展：型热稳定钢发展：Fe-Al

9、-MnFe-Al-Mn系：系：要求尽可能减少夹杂物、控制浇注温要求尽可能减少夹杂物、控制浇注温度，防止度，防止AlAl氧化。氧化。6Mn18Al5Si2TiCr-Mn-NCr-Mn-N系：系：在高温下有较高的持久强度，可做铸在高温下有较高的持久强度，可做铸件和锻件。件和锻件。Cr20Mn9Ni2Si2N10Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU113 Hot strength of the metal 一、高温下金属材料力学性能特点一、高温下金属材料力学性能特点影响：温度和时间影响：温度和时间钢的热强性：指钢在钢的热强性：指钢在高

10、温和载荷高温和载荷共同作用下抵抗塑共同作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。性变形和破坏的能力。钢的高温性能钢的高温性能瞬时高温性能：瞬时高温性能：高温短时加载高温短时加载。高温下常规力学性能，如。高温下常规力学性能，如高温拉伸、高温冲击和高温硬度等。高温拉伸、高温冲击和高温硬度等。长时高温性能：长时高温性能：高温长时加载高温长时加载。如蠕变、抗热松弛、抗热。如蠕变、抗热松弛、抗热疲劳、持久强度等疲劳、持久强度等Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU3 Hot strength of the metal 二、热强性的影响因素及其提高途径

11、二、热强性的影响因素及其提高途径1、影响因素、影响因素（1）软化因素：）软化因素：温度温度，原子结合力，原子结合力、扩散、组织稳定、扩散、组织稳定化。化。如第二相长大、成分变化、亚结构粗化、再结晶等如第二相长大、成分变化、亚结构粗化、再结晶等（2）形变断裂方式的改变：）形变断裂方式的改变：低温下形变滑移方式；高低温下形变滑移方式；高温：滑移，扩散形变及晶界滑动与迁移温：滑移，扩散形变及晶界滑动与迁移常温下，断裂穿晶断裂常温下，断裂穿晶断裂（晶内强度低于晶界强度）；（晶内强度低于晶界强度）；温度升高，晶间断裂温度升高，晶间断裂（原子扩散增加，晶界强度减弱）（原子扩散增加，晶界强度减弱）12Eng

12、ineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU133 Hot strength of the metal 二、热强性的影响因素及其提高途径二、热强性的影响因素及其提高途径2、提高钢的热强性的途径、提高钢的热强性的途径基体强化、第二相强化、晶界强化基体强化、第二相强化、晶界强化（1）基体强化：）基体强化：提高基体金属原子间结合力、降提高基体金属原子间结合力、降低固溶体扩散过程。低固溶体扩散过程。固溶元素：固溶元素：高熔点，自扩散系数小，提高钢的再结高熔点，自扩散系数小，提高钢的再结晶温度。晶温度。Mo, W, Co, Cr等等奥氏体基体比铁素体基

13、体热强性高奥氏体基体比铁素体基体热强性高Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU143 Hot strength of the metal 二、热强性的影响因素及其提高途径二、热强性的影响因素及其提高途径（2）第二相强化：要求生成稳定的第二相）第二相强化：要求生成稳定的第二相（不易（不易聚集长大），聚集长大），高温下保持弥散分布。高温下保持弥散分布。难熔合金碳化物难熔合金碳化物MC, M23C6, M6C等或金属间化合物等或金属间化合物Ni3Ti、 Ni3Al等等Engineering MaterialsSch. of Manu.

14、Sci. & Eng., SCU153 Hot strength of the metal 二、热强性的影响因素及其提高途径二、热强性的影响因素及其提高途径（3）晶界强化：）晶界强化：减少高温下晶界滑移减少高温下晶界滑移减少晶界：减少晶界：控制晶粒度控制晶粒度净化晶界：净化晶界：S、P易在晶界偏聚，易在晶界偏聚，加入加入B, RE等可使易熔杂质转等可使易熔杂质转入晶内，使晶界净化入晶内，使晶界净化 填补晶界上的空位：填补晶界上的空位：空位使扩散易发生、裂纹易扩展。空位使扩散易发生、裂纹易扩展。加入加入B, Ti, Zr等，填充晶界，阻碍晶界原子扩散。等，填充晶界，阻碍晶界原子扩散。晶界的沉淀强

15、化：晶界的沉淀强化：在晶界析出强化相，使晶界滑移和裂纹扩展在晶界析出强化相，使晶界滑移和裂纹扩展受阻。受阻。形变热处理：形变热处理：改变晶界形状为锯齿状、晶内多边形亚晶界。改变晶界形状为锯齿状、晶内多边形亚晶界。Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU4 Heat Resistant Ferritic Steel 包括：包括：P体型热强钢和体型热强钢和M体型热强钢体型热强钢加热和冷却过程发生加热和冷却过程发生 使用温度受到限制。使用温度受到限制。特点：特点：在中温下在中温下600-650有有较好的热强性、热较好的热强性、热稳定性及工

16、艺性能，线膨胀系数小，稳定性及工艺性能，线膨胀系数小，含碳量较含碳量较低？低？，成本低，成本低.用途：用途：锅炉、汽轮机和石油提炼设备等。锅炉、汽轮机和石油提炼设备等。 16Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU174 Heat Resistant Ferritic Steel 一、一、P体型热强钢体型热强钢低碳低碳P热强钢：热强钢：制作锅炉钢管等制作锅炉钢管等中碳中碳P热强钢：热强钢：耐热紧固件、转子等耐热紧固件、转子等工作温度不是太高，但工作时间长、有腐蚀工作温度不是太高，但工作时间长、有腐蚀（表表6.2）Engineerin

17、g MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU184 Heat Resistant Ferritic Steel 一、一、P体型热强钢体型热强钢组织和性能变化：组织和性能变化：工作温度工作温度+应力应力+腐蚀介质长期作用腐蚀介质长期作用（1）P的球化和碳化物的聚集：的球化和碳化物的聚集： 由不平衡态向平衡状态过渡由不平衡态向平衡状态过渡C原子扩散原子扩散（片状碳化物（片状碳化物分散细小碳化物分散细小碳化物大颗粒碳化物）大颗粒碳化物）降低降低强度强度（蠕变极限、持久强度、屈服强度降低）（蠕变极限、持久强度、屈服强度降低）因素：因素：温度、时间和成分温度、时间和

18、成分(Cr、Mo、 V、Ti阻碍作用：阻碍作用：降低降低碳的扩散速度形成稳定碳化物碳的扩散速度形成稳定碳化物)Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU194 Heat Resistant Ferritic Steel 一、一、P体型热强钢体型热强钢（2）钢的石墨化：）钢的石墨化：碳化物分解出石墨碳化物分解出石墨产生裂纹、强度降产生裂纹、强度降低低。 uCr、Ti 、Nb抑制作用，抑制作用，Al促进（不能用促进（不能用Al脱氧）。脱氧）。u采用退火或回火处理也会减少石墨化倾向。采用退火或回火处理也会减少石墨化倾向。Engineerin

19、g MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU204 Heat Resistant Ferritic Steel 一、一、P体型热强钢体型热强钢（3）合金元素的再分布：）合金元素的再分布：碳化物形成元素碳化物形成元素Cr、Mo向碳化物内扩散、富集，使基体合金向碳化物内扩散、富集，使基体合金元素贫化，热强性下降。元素贫化，热强性下降。加入加入V、Ti、Nb等阻止合金元素再分布等阻止合金元素再分布（4）热脆性：）热脆性：析出新相析出新相在某一温度长时工作时，突然发生脆性断裂的现象。在某一温度长时工作时，突然发生脆性断裂的现象。避开脆性区温度；降低避开脆性区温度；

20、降低N、P含量；加入含量；加入W、Mo合金元素。合金元素。高温回火高温回火+快冷消除快冷消除20Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU214 Heat Resistant Ferritic Steel 一、一、P体型热强钢体型热强钢热处理：热处理：正火（正火（Ac3+50）+ 700-750回火回火正火后组织：正火后组织：马氏体、珠光体、贝氏体等混合组马氏体、珠光体、贝氏体等混合组织；织；不稳定结构不稳定结构回火温度：回火温度：高于使用温度高于使用温度100 Engineering MaterialsSch. of Manu. S

21、ci. & Eng., SCU22二、二、M体型热强钢体型热强钢表表6.31、Cr13 ： 1Cr13、2Cr13热处理：热处理：1000-1150油淬油淬+650-750高温回火高温回火回火回火S、回火、回火T用途：用途：使用温度低于使用温度低于580 的汽轮机和燃气轮的汽轮机和燃气轮机的叶片。机的叶片。4 Heat Resistant Ferritic Steel Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU23二、二、M体型热强钢体型热强钢2、Si-Cr钢钢 4Cr9Si2调制处理：调制处理：1000以上温度淬火以上温度淬火+高温

22、回火高温回火 回火脆性，要避开回火脆区。回火脆性，要避开回火脆区。用于用于700 以下的发动机排气阀。以下的发动机排气阀。4 Heat Resistant Ferritic Steel Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU245 Heat Resistant Austenite Steel 铁素体基热强钢：铁素体基热强钢：铁素体基体组织，使用温度在铁素体基体组织，使用温度在650以下，以下，不能使用更高的温度。不能使用更高的温度。更换基体组织：奥氏体更换基体组织：奥氏体更高的热强性：更高的热强性：A晶格的原子间结合力比晶格的原子

23、间结合力比F大；大；扩散系数小；扩散系数小；再结晶温度高再结晶温度高 F再结晶温度再结晶温度450-600；A再结晶温度大于再结晶温度大于800 .Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU255 Heat Resistant Austenite Steel 特点特点：更高的服役温度（更高的服役温度（650以上）、高的热强性以上）、高的热强性良好的可焊接性、抗氧化性、高的塑性和冲击韧性良好的可焊接性、抗氧化性、高的塑性和冲击韧性室温强度低、热压力加工及切削加工性能差、导热室温强度低、热压力加工及切削加工性能差、导热性差，温度变化时热应

24、力大、抗热疲劳性能差性差，温度变化时热应力大、抗热疲劳性能差Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU26强化机制：强化机制：固溶强化、碳化物沉淀强化、金属间化合物强化固溶强化、碳化物沉淀强化、金属间化合物强化一、固溶强化一、固溶强化A热强钢热强钢 “18-8”钢基础上发展的：钢基础上发展的：1Cr18Ni9Mo、1Cr18Ni11Mo、Cr20Ni32、组织成分：组织成分：奥氏体奥氏体+少量碳化物；少量碳化物； 含含Mo, W, Nb；提高；提高Ni含量的同时适当降低含量的同时适当降低Cr量量特点：特点：良好的焊接性、优良的热加工和

25、冷冲压性良好的焊接性、优良的热加工和冷冲压性一般经过固溶淬火处理后使用一般经过固溶淬火处理后使用5 Heat Resistant Austenite Steel 26Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU27二、碳化物强化二、碳化物强化A热强钢热强钢 表表6.4成分：成分：较高的（较高的（Cr, Ni） + W, Mo, Nb, V等等 + 0.3-0.5%碳碳常用钢种：常用钢种：GH36(4Cr13Ni8Mn8MoVNb)热处理：热处理：固溶淬火和时效沉淀固溶淬火和时效沉淀5 Heat Resistant Austenite S

26、teel Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU28二、碳化物强化二、碳化物强化A热强钢热强钢GH36: 固溶处理固溶处理1140(t=1.5-2h)水冷水冷(防止冷却过程析出防止冷却过程析出VC) 670 时效时效12-14h770-800 时效时效10-12h 第一次时效：第一次时效：析出弥散分布析出弥散分布VC，高强度、低韧性；，高强度、低韧性； 第二次时效：第二次时效：VC分布均匀，颗粒适当长大，但组织有分布均匀，颗粒适当长大，但组织有好好的热稳定性，塑性、韧性及缺口敏感性得到改善的热稳定性，塑性、韧性及缺口敏感性得到改善

27、。5 Heat Resistant Austenite Steel 28Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU29三、金属间化合物强化热强钢（铁基高温合金）三、金属间化合物强化热强钢（铁基高温合金）成分：成分：含含C量很低（量很低（0.08%），高镍），高镍 (25-40%)，Al, Ti, Mo, V, B合金元素。合金元素。强化相：强化相：Ni3Ti、-Ni3(TiAl)GH132(0Cr15Ni26MoTi2AlVB) 5 Heat Resistant Austenite Steel Engineering Material

28、sSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU30三、金属间化合物强化热强钢（铁基高温合金）三、金属间化合物强化热强钢（铁基高温合金）GH132(0Cr15Ni26MoTi2AlVB) 合金元素：合金元素：加入加入Al、W、Mo、Ti、Nb等等热处理：热处理：980-1000固溶处理固溶处理2h+700-760时时效效16h(弥散分布于弥散分布于A基体基体强化强化)5 Heat Resistant Austenite Steel Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU31Summaryv掌握耐热钢热强性的影响因素。

29、掌握耐热钢热强性的影响因素。v掌握提高钢的热强性的途径。掌握提高钢的热强性的途径。v了解珠光体型热强钢，马氏体型热强钢，固溶了解珠光体型热强钢，马氏体型热强钢，固溶强化奥氏体热强钢，碳化物强化奥氏体热强钢，强化奥氏体热强钢，碳化物强化奥氏体热强钢，金属间化合物强化热强钢。金属间化合物强化热强钢。Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU32练习1、为什么不锈钢中、为什么不锈钢中w（Cr）12？含铬量为？含铬量为12的的Cr12MoV钢是否属于不锈钢，为什么？钢是否属于不锈钢，为什么？ 2、试分析合金元素、试分析合金元素Cr在在40Cr

30、、GCr15、CrWMn、 1Cr13、 1Cr18Ni9Ti 、4Cr9Si2等钢中的作用。等钢中的作用。40Cr: 提高淬透性，形成合金铁素体，提高钢的强度；提高淬透性，形成合金铁素体，提高钢的强度； GCr15: 提高淬提高淬透性，形成合金渗碳体透性，形成合金渗碳体(Fe,Cr) 3C呈细密、均匀分布，提高钢的耐磨性，呈细密、均匀分布，提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度；特别是疲劳强度； CrWMn: 提高淬透性；提高淬透性； 1Cr13: 提高钢基体的电极电提高钢基体的电极电位，使钢的耐蚀性提高；位，使钢的耐蚀性提高； 1Cr18Ni9Ti: 提高基体的电极电位，在氧化性提高基体的电极电位，在氧化性介质中极易钝化，形成致密和稳定的氧化膜，提高耐蚀性、抗氧化性，介质中极易钝化，形成致密和稳定的氧化膜，提高耐蚀性、抗氧化性，并有利于热强性；并有利于热强性；4Cr9Si2: 提高抗氧化性，并有利于热强性，提高淬透提高抗氧化性，并有利于热强性，提高淬透性。性。 Engineering MaterialsSch. of Manu. Sci. & Eng., SCU作业：试分析在超超临界环境下（600以上），汽轮机转子对钢材性能的要求，并判断12Cr9Mo1Co1NiVNbNB钢能否采用，并分析合金元素的作用思考：耐热钢可否选择高碳钢？分析原因33