1、 第第6 6章章 耐热钢耐热钢 蒸汽锅炉、蒸汽涡轮，航空工业的喷气发动机，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。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。根高温强度和塑性，二是有足够高的高温稳定性。根据不同服
2、役条件，常常将耐热钢分为热强钢和热稳据不同服役条件，常常将耐热钢分为热强钢和热稳定性钢两大类。定性钢两大类。6.1 基本概念基本概念 1 金属的抗氧化性金属的抗氧化性 铁氧化物类型有铁氧化物类型有FeO、Fe2O3、Fe3O4三种。三种。FeO：结构疏松，冷却分解：结构疏松，冷却分解应力，结合力弱，易剥落；应力，结合力弱，易剥落；Fe2O3、Fe3O4：结构致密，和基体结合好。：结构致密，和基体结合好。570以下，氧化膜由以下，氧化膜由Fe2O3和和Fe3O4组成；组成；570以上，氧化膜由以上，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和和FeO氧化物组成，约氧化物组成，约1:10:100.570以上铁
3、的氧化过程大大地加速，遵守以上铁的氧化过程大大地加速，遵守抛物线规律抛物线规律形形成成规规律律二、提高钢抗氧化性的途径二、提高钢抗氧化性的途径 1、提高钢氧化膜稳定性提高钢氧化膜稳定性 FeO的形成温度的形成温度;FeO的形成温度的形成温度,又优先形成稳定氧化物又优先形成稳定氧化物 Cr、Al、Si。途途径径例例子子 如：如：1.03Cr，FeO形成温度为形成温度为600；1.14Si，FeO形成温度为形成温度为 750；Cr、Al量高时，钢的表面可生成致密的量高时，钢的表面可生成致密的Cr2O3或或Al2O3保护膜。保护膜。2 2、形成致密、稳定的氧化膜、形成致密、稳定的氧化膜 Cr、Al、
4、Si、Ti等，逐步形成以合金元等，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，素氧化物为主或合金元素氧化物的氧化膜，如如Al2O3、SiO2、Cr2O3等等致密、稳定。致密、稳定。常用合金元素对工业纯铁蠕变极限的影响常用合金元素对工业纯铁蠕变极限的影响6.1.2 6.1.2 钢的热强性钢的热强性一、钢的热强性能指标一、钢的热强性能指标1 1、蠕变及蠕变极限、蠕变及蠕变极限70010000/1 蠕变极限是试样在一定温度下和在规定的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。的
5、）或蠕变速率等于某规定值时的最大应力。例如：例如：,表示在表示在700时，持续时间为时，持续时间为 10000 h，产生蠕变总变形量为，产生蠕变总变形量为1%的蠕变极限。的蠕变极限。2 2、持久强度、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，间内引起断裂的最大应力值，如：如：=300MPa=300MPa，表示在，表示在700700时，持续时间时，持续时间为为100 h100 h的持久强度极限值为的持久强度极限值为300 MPa300 MPa。3 3、高温疲劳强度、高温疲劳强度 在高温疲劳时只有条件疲劳极限，即把在某一
6、规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（一般采用定的循环次数（一般采用107108次）下而不断裂时次）下而不断裂时的最大应力作为疲劳极限。的最大应力作为疲劳极限。7001004 4、应力松弛、应力松弛 应力松弛现象是在具有恒定总变形的零件中，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。随时间延长而自行降低应力的现象。蒸汽管道螺栓蒸汽管道螺栓需要经常拧紧需要经常拧紧 原子易发生扩散，原子易发生扩散，使弹性变形变成了使弹性变形变成了塑性变形塑性变形,从而使从而使应力不断降低应力不断降低二、提高热强性的途径二、提高热强性的途径1 1、强化基体、强化基体基
7、体金属熔点基体金属熔点：T熔，熔，金属原子间结合力。金属原子间结合力。铁、镍、钼基是依次铁、镍、钼基是依次合金晶格类型合金晶格类型：fcc-Fe bcc-Fe,奥氏体型钢要比奥氏体型钢要比 F、M、P型钢的蠕变抗力高型钢的蠕变抗力高固溶体结合力固溶体结合力：合金化：合金化固溶体原子间结合固溶体原子间结合 力，力，Mo、Cr、Mn、Si作用较大作用较大2 2、强化晶界、强化晶界净化晶界：杂质易偏聚在晶界，形成易熔夹杂物净化晶界：杂质易偏聚在晶界，形成易熔夹杂物 晶界强度。晶界强度。RE、B优先结合杂质，形成优先结合杂质，形成 高熔点化合物，异质晶核高熔点化合物，异质晶核从晶界转入晶内从晶界转入晶
8、内填充空位：晶界上空位多，原子易快速扩散。填充空位：晶界上空位多，原子易快速扩散。B 易偏聚晶界，易偏聚晶界，晶界空位。晶界空位。3 3、弥散强化、弥散强化 弥散质点，弥散质点，位错运动，位错运动，强度强度 有效有效性和程度的关键是质点的性质、大小、分布、性和程度的关键是质点的性质、大小、分布、稳定性。稳定性。珠光体热强钢的蠕变强度珠光体热强钢的蠕变强度4 4、热处理、热处理6.1.3 6.1.3 耐热钢的合金化耐热钢的合金化 Cr：钢抗氧化性主要元素。形成致密而稳定的钢抗氧化性主要元素。形成致密而稳定的 Cr2O3。T，Cr。如。如600650，需要，需要 5%Cr；800时，为时，为12%
9、Cr。固溶强化固溶强化Mo、W：低合金热强性重要元素。固溶强化，低合金热强性重要元素。固溶强化，析出稳定相。析出稳定相。Al：抗氧化性的有效元素。抗氧化性的有效元素。在在1000时，时，6%Al18%Cr水平。水平。冶金工冶金工 艺性，使钢变脆。艺性，使钢变脆。不能单独加入，作为辅助不能单独加入，作为辅助 合金化元素。合金化元素。Si：抗氧化性的辅助元素。但效果比抗氧化性的辅助元素。但效果比Al还要有还要有 效，使钢脆性大，用效，使钢脆性大，用Si代替部分代替部分Cr。G化，化，K聚集长大。一般在聚集长大。一般在23%Si。用于渗碳罐，抗渗性好。用于渗碳罐，抗渗性好。Ni：获得奥氏体组织：获得
10、奥氏体组织 Ti、Nb、V：形成稳定：形成稳定K，钢松弛稳定性，钢松弛稳定性，热强性热强性 C：较低温度时强化钢，：较低温度时强化钢，G化，化，K聚集长聚集长 大大 尽可能尽可能C。6.2 6.2 热强钢热强钢6.2.1 6.2.1 珠光体热强钢珠光体热强钢 按用途主要有锅炉钢管、紧固件和转子用按用途主要有锅炉钢管、紧固件和转子用钢等几大类。钢等几大类。一、锅炉钢管用珠光体热强钢一、锅炉钢管用珠光体热强钢 高温和高压，高温烟气和水蒸汽高温和高压，高温烟气和水蒸汽,安全可靠安全可靠 抗氧化和耐蚀，组织稳定抗氧化和耐蚀，组织稳定,工艺性能好工艺性能好 普遍普遍问题问题 组织不稳定，如片状组织不稳定
11、，如片状P球化、球化、K长长大、大、G化，化，强度强度，管子爆裂，管子爆裂合金合金化化 0.2%C 球化、球化、K长大、长大、G化化 采用采用 Cr-Mo-V系系 Mo、W、Cr 固溶强化，固溶强化，K长大和长大和G化，化，Cr抗氧化性和耐蚀性；抗氧化性和耐蚀性；VTi直接作用直接作用间接作用间接作用形成稳定形成稳定MC型型K，弥散强化，弥散强化，热强度热强度使更多使更多Mo、W、Cr固溶，固溶，热强度热强度 典型钢号典型钢号12Cr1MoVG是用量较大的钢管是用量较大的钢管材料，材料，15CrMo、12CrMoV 等等二、紧固件用珠光体热强二、紧固件用珠光体热强 紧紧固固件件处于初紧预应处于
12、初紧预应力状态工作力状态工作高的屈服强度、高的屈服强度、松弛稳定性，松弛稳定性，缺口敏感性小，缺口敏感性小，一定抗氧化性一定抗氧化性CCr/Mo/V常用钢：常用钢：35CrMoV、25Cr2MoV钢常用作中压钢常用作中压 气轮机的螺栓和螺母材料，气轮机的螺栓和螺母材料，25Cr2Mo1V钢钢 在高压电厂中广泛使用在高压电厂中广泛使用三、转子用钢三、转子用钢转转子子主轴、叶轮主轴、叶轮或整锻转子或整锻转子过热蒸汽，复杂应过热蒸汽，复杂应力（扭力（扭/弯弯/热等）热等）热强性，沿轴向、径向均匀一致热强性，沿轴向、径向均匀一致的综合力学性能的综合力学性能淬透性。淬透性。常用钢：汽轮机叶轮常用中碳珠光
13、体热强钢常用钢：汽轮机叶轮常用中碳珠光体热强钢 制造。如制造。如35Cr2MoV、33Cr3WMoV钢钢6.2.2 6.2.2 马氏体热强钢马氏体热强钢一、叶片用钢一、叶片用钢 在在Crl3型马氏体不锈钢的基础上进一步型马氏体不锈钢的基础上进一步合金化发展了合金化发展了Crl2型马氏体耐热钢。型马氏体耐热钢。15Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等，等，工作温度可在工作温度可在600左右。左右。常用于大功率火力发电机组。常用于大功率火力发电机组。二、气阀钢二、气阀钢内燃机排气阀工作条件非常苛刻内燃机排气阀工作条件非常苛刻:700850工作，受到燃气的高温腐蚀、工作，受到燃气的高温腐蚀、
14、氧化腐蚀和冲刷腐蚀磨损氧化腐蚀和冲刷腐蚀磨损,热疲劳热疲劳.常用钢号有常用钢号有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo，采，采用用1050淬火加热、油冷，淬火加热、油冷，700左右回左右回火，组织为回火索氏体，保持马氏体形貌火，组织为回火索氏体，保持马氏体形貌特征。高于特征。高于750的阀门需要的阀门需要采用奥氏体型采用奥氏体型热强钢，热强钢，6.36.3 抗氧化钢抗氧化钢 抗氧化钢用于工业炉的构件、炉底板、炉罐等抗氧化钢用于工业炉的构件、炉底板、炉罐等.F型是在型是在F型不锈钢型不锈钢基础上发展形成。基础上发展形成。A型抗氧化钢是在型抗氧化钢是在A不锈钢基础上发展起来的。不锈钢基础上发展起来的
15、。A A型抗氧化钢目前主要有铬型抗氧化钢目前主要有铬-镍系和铬镍系和铬-锰锰-氮系。氮系。铬铬-锰锰-氮系奥氏体型抗氧化钢在氮系奥氏体型抗氧化钢在950950以下有较以下有较好的抗氧化性，且有较高的高温强度，工艺性不如好的抗氧化性，且有较高的高温强度，工艺性不如铬铬-镍系抗氧化钢。低镍奥氏体抗氧化钢，使用比较镍系抗氧化钢。低镍奥氏体抗氧化钢，使用比较多的有多的有ZG4Cr22Ni4N和和 ZG3Cr24Ni7N钢，经济钢，经济.本章小结本章小结 温度对钢的使用来说有很大的影响，是关键因温度对钢的使用来说有很大的影响，是关键因素。在高温条件下工作的零部件就其材料成分、素。在高温条件下工作的零部件就其材料成分、性能要求及失效机理和一般常温下的零件相比，性能要求及失效机理和一般常温下的零件相比，有很大的不同。有很大的不同。钢的高温强度和组织稳定性是耐热钢设计与处钢的高温强度和组织稳定性是耐热钢设计与处理工艺的主要矛盾。从合金化考虑，主要措施有理工艺的主要矛盾。从合金化考虑，主要措施有原子结合力、强化晶界、稳定相的弥散强化。原子结合力、强化晶界、稳定相的弥散强化。不同合金的耐热钢有其适宜的使用温度范围。不同合金的耐热钢有其适宜的使用温度范围。
