第6章 耐热钢

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1、金属材料学Metal Material Science 专业：金属材料工程（本）专业：金属材料工程（本）教师：杜大明教师：杜大明电话：电话：金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢第第6 6章章 耐热钢耐热钢金属材料学金属材料学-第第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，以蒸汽锅炉、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。些零部件技术要求比较苛刻。通常把在高温条件工通常把

2、在高温条件工作的钢称为耐热钢。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。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，常常将耐热钢分为根据不同服役条件，常常将耐热钢分为热强钢热强钢和和热热稳定性钢（或称高温不起皮钢）稳定性钢（或称高温不起皮钢）两大类。两大类。金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢发动机的热效率都随介质工作温度的提高而提高。发动机的热效率都随介质工作温度的提高而提高。30多年多年来，大型喷气式飞机的发动机推力提高了来，大型喷气式飞机的发动机推力提高了5倍多

3、，而发动机倍多，而发动机的重量只增加的重量只增加12倍，这主要靠高温合金的采用。倍，这主要靠高温合金的采用。金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢 第一节第一节 基本概念基本概念 一、金属的抗氧化性一、金属的抗氧化性金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢1.氧化膜与氧化规律氧化膜与氧化规律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

4、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金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢耐热钢和耐热合金的抗氧化和气体腐蚀能力可分为耐热钢和耐热合金的抗氧化和气体腐蚀能力可分为5级：级：腐蚀速率腐蚀速率0.1mm/a，为完全抗氧化；，为完全抗氧化；0.11.0mm/a，为，为抗氧化抗氧化；1.03.0mm/a，为，为次抗氧化次抗氧化；3.010.0mm/a

5、，为，为弱抗氧化弱抗氧化；10.0mm/a，为，为不抗氧化不抗氧化。金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢2、提高钢抗氧化性的途径、提高钢抗氧化性的途径(1)加入合金元素，加入合金元素，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。金属材料学

6、金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢（2 2）形成致密、稳定的氧化膜）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，如主或合金元素氧化物的氧化膜，如Al2O3、SiO2、Cr2O3等等致密、稳定。致密、稳定。金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢1 1、钢的热强性能指标、钢的热强性能指标（1 1）蠕变及蠕变极限）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）或蠕变速率等内，产生的蠕变变形量（总的或残余的）或

7、蠕变速率等于某规定值时的最大应力。于某规定值时的最大应力。二、钢的热强性二、钢的热强性金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢（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间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。内引起断裂的最大应力值。 在高温疲劳时只有条件疲劳极限，即把在某一规定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（一般采用的循环次数（一般采用107108107108次）下而不断裂时的最次）下而不断裂时的最大应力作为疲劳极限。大应力作为疲劳极限。（3）高温疲劳强度）高温疲劳强度金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐

8、热钢（4 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，随时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。间延长而自行降低应力的现象。金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢2 2、提高热强性的途径、提高热强性的途径（1 1）强化基体）强化基体 基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、铁、镍、钼基是依次钼基是依次 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力，固溶

9、体原子间结合力，Mo、Cr、Mn、Si作用较大作用较大金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢（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。金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢（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

10、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）热处理金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢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%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。三、耐热钢的合金化三、耐热钢的合金化金属材料学金属材料学-第第6章章 耐热钢耐热钢