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1、随着近年来能源工业的发展，耐热材料的使用正在向高温、高压和大型化方向发展，对材料的要求越来越高，从而促进了材料的改进和开发研究。,第7章 耐热钢和耐热合金,7.1概述,高温下的破坏往往也是一种腐蚀破坏，耐热钢与耐热合金也应属于耐蚀材料。,耐热钢与耐热合金是应用范围其广的一类金属材料，涉及火力发电用锅炉，发动机、化工装置及原子能设备等领域。,3、主要破坏形式有氧化、变形、断裂（区别于电化学腐蚀）,注：高温破坏的特点：,1、高温,2、气体环境,在高温下有较好的抗氧化性且具有一定强度的钢种。这类钢多属于铁素体耐热钢。,7.1.1耐热钢的分类：,1、按性能分：,抗氧化钢（耐热不起皮钢）,热强钢,在高温
2、下有一定的抗氧化性，兼有较高的强度及良好的组织稳定性的钢种。,2、按组织分类：,珠光体耐热钢,-在正火状态下显微组织由珠光体加铁素体组成的一类钢。,特点：,工艺性、可焊性好。,在500600以下具有良好的热强性；,一般属于低合金耐热钢（合金元素含量5%）；,在600以下具有较好的热强性，650时有较好的抗氧化性。,马氏体耐热钢,-含铬量在13%左右的铬钢，其正火组织为马氏体。,特点：,为了改善热强性，有时添加少量Mo，W，V，Nb等元素。,可焊性差，热脆性倾向较大。,铁素体耐热钢,-具有单相铁素体组织的耐热钢。,特点：,含有较高的Cr和一定量的Si，Al；,具有较好的抗氧化性；,具有较高的高温
3、强度（通过合金碳化物，金属间化合物强化）,奥氏体耐热钢,-具有单相奥氏体组织的耐热钢。,特点：,含有较高的Ni，Mn，N 等元素；,具有一定的抗氧化能力。,内燃机气阀一般在300400下工作，排气阀温度可达750。,3、按用途分：,锅炉用钢；,发动机用钢；,气阀用钢；,由于原子能反应堆的形式不同，反应堆中心材料和结构材料承受的温度也不同，由于处于中子的辐射下工作，所以不仅要有足够的高温强度，而且对应力腐蚀的敏感性要小，产生脆化和脱碳的倾向小。,化工用耐热材料；,主要用于石油精炼和石油化工中的高温装置，温度在350900。,原子能用耐热材料,7.1.2耐热合金的分类：,耐热合金也称高温合金，已经
4、超出碳钢范畴的材料。但因存在脆性敏感性问题尚难克服，故仍处于研制阶段。,1、铁基合金,主要特点：含有50%左右的铁和相当高的Cr、Ni 成份以及其它强化元素。,特点：含C、N少，硬化能力差。主要依靠W、Mo、铌等难溶元素以强化固溶体。,弱时效硬化型合金,固溶强化型合金,特点：Cr、Ni 含量高（Cr20%，Ni2540%），抗氧化力强。加入W、Mo、Nb及少量的Al、Ti、N 等起固溶强化。具有良好的加工性能。使用温度高达800900。,特点：（1）含有较高的Al、Ti、Nb等元素，以金属间化合物形式实现时效硬化。（2）具有较高的热强性和一定的抗氧化性。,碳化物时效硬化合金,特点：含碳量高，使
5、用温度为600650。,金属间化合物时效硬化型合金,特点：具有优良的抗腐蚀和抗热疲劳性能；但其抗氧化能力通常比大多数镍基合金要差。组织稳定，热膨胀系数低，使用寿命长；价格高（Co为稀缺元素），使用受到限制。,2、镍基合金,特点：以镍为主，含有相当高的Cr。,种类：固溶强化型，金属间化合物强化。,3、钴基合金,7.2 耐热钢与耐热合金的主要性能,耐热材料的性能要求，最基本有以下两方面：高温下的力学性能和材料在使用环境下的组织稳定性与化学稳定性。,-在给定温度下，材料在规定时间内发生断裂的应力。或者说在恒定温度和试验时间内的最大拉伸负荷。,7.2.1高温强度,高温下的力学性能是评定耐热钢和耐热合金
6、质量的基本指标。,1、高温持久强度,蠕变极限-在给定的温度下和规定的时间内，试样产生一定量蠕变总变形的应力值。,2、高温蠕变强度,蠕变-指金属材料在一定温度下，即使所承受的应力远低于屈服极限，也会随时间的增长而慢慢地产生永久塑性变形的现象。,应力松弛是紧固件在高温时重要特性之一。应力松弛的主要条件：0=弹+塑=常数 0-总变形；弹-弹性变形；塑-塑性变形。,7.2.2应力松弛性能,1、定义和条件,应力松弛-金属在高温和压力状态下，如果维持总变形量不变，而随着时间的延长，应力则逐渐减少，这种现象称作应力松弛。,2、松弛现象的应力-时间曲线,原因：晶粒内部镶嵌块的转动和移动造成的。,原因：一般认为
7、第一阶段松弛发生在晶界上，由晶界的扩散过程引起的。,第一阶段：应力随时间延长而急剧下降。,第二阶段：应力下降逐渐缓慢，并趋于稳定,组织的稳定性-指在给定的工作环境和使用期限内，组织不发生或发生不明显的变化，以确保材料高温性能的稳定性。组织稳定性是评价和选用耐热钢和耐热合金的一项重要指标。,7.2.3组织的稳定性,1、高温组织变化的类型：,防止措施：加强碳化物形成元素，如：Cr，V、Ti、Nb等，或限制促进石墨化的元素，如：Ni、Si、Al 等。,石墨化：,在长期高温应力作用下，珠光体中的Fe3C分解为游离石墨。,危害：一旦发生游离石墨，脆性增加，强度、塑性明显降低。（如锅炉钢管脆性爆裂）,奥氏
8、体耐热钢在高温下长期使用，会产生片状的有害相（多为金属间的化合物），大大降低力学性能。,渗碳体的球化与固溶体中合金元素的贫化。,在高温下，珠光体耐热钢中的片状渗碳体的球化和固溶体中合金元素的贫化，导致钢的高温性能恶化。,碳化物的分解、析出和转变。,危害：使合金持久强度和塑性降低，缺口敏感性增加。,有害相的产生,是高温气体（O2、H2O、CO2、S2、SO2等）与金属发生氧化反应的过程。,7.2.4高温氧化与热腐蚀。,1、高温氧化：,高温氧化的实质：,反应形式：,Me（金属）+1/2 O2 MeOMe（金属）+1/2 S2 MeS,在570以下，氧化层由Fe3O4 和 Fe2O3组成，570以上
9、氧化层由FeO、Fe3O4 和 Fe2O3组成,钢的高温氧化结果：,钢在高温下的氧化可以形成三种氧化物：FeO、Fe3O4、Fe2O3。,在高温氧化过程中，氧化膜的内部存在着铁原子与氧原子的双向扩散。氧原子通过氧化膜进入钢的内部，而铁原子则向相反的方向扩散到氧化膜内，与氧结合变为氧化物。,钢的氧化生长,根本途径是在钢的表面形成化学稳定性强、组织致密的氧化膜。主要措施：加入大量合金元素，如：Cr、Al、Si 形成Cr2O3、Al2O3、SiO2 氧化膜。,影响高温氧化性的因素,关键是金属表面形成的氧化物的性质。如果这一层是疏松的，氧化过程会不断进行；如果外层是致密的，就可以提高钢的抗氧化性。,提
10、高钢抗高温氧化性的途径。,使用表面防护层。如：金属扩散涂层、陶瓷涂层。,2、热腐蚀,危害：,使合金表面本来具有的保护作用的氧化物质遭受破坏，从而加剧腐蚀。,防止措施：,热腐蚀-是指钢或合金在硫酸钠、氯化钠、五氧化二钒等沉积物和热燃气共同作用下所产生的破坏。在7601000温度范围内，这种腐蚀特别严重。,控制或排出燃料或燃烧空气中的有害杂质，特别是Na，S；,钢种（主要是Cr-Si-Al）是提高钢抗氧化能力的主要元素，这些元素能使钢表面形成致密的氧化膜，以阻碍金属离子和氧的传质过程。,7.3 其他耐热钢和耐热合金,7.3.1抗氧化钢,抗氧化钢也称耐热不起皮钢，多属于铁素体与奥氏体钢。,特点：具有良好的抗氧化性，且有一定的高温强度。,特点：加入Cr、Mo、W 以及强碳化物形成元素V、Ti、Nb 等能有效提高热强性和抗氧化能力。,7.3.2 热强钢,在高温下有较高强度和一定抗氧化能力的合金钢称热强钢。,主要钢种：Cr种，Mo钢，Cr-Mo钢，18-8钢,7.3.3高温合金,能在高温（6001100）氧化性气氛和燃气腐蚀条件下，长期承受较大应力的合金材料。,应用：是现在航空发动机，火箭发动机以及燃气轮机必不可少的金属材料。,钢种：主要是高Cr、Ni、加Mo、W 等。,
