耐热钢及耐热合金课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第十章 耐热钢,乙烯裂解装置,第十章 耐热钢乙烯裂解装置,1,概述,高温下工作并具有一定强度和抗氧化、耐蚀能力的铁基合金称为耐热钢。,在高温下使用的Ni基，Co基，Mo基，Nb基，Ta基等合金称为高温合金。,飞机发动机,概述高温下工作并具有一定强度和抗氧化、耐蚀能力的铁基合金称为,2,10.1 耐热金属材料的工作条件及性能特点,一、工作条件和性能要求,二、耐热钢的抗氧化性,三、耐热金属材料的热,强性（高温强度）,四、耐热钢及耐热合金,的分类,锅炉管,10.1 耐热金属材料的工作条件及性能特点一、工作条件和性能,3,一、耐热金属材料工作条件和性能要求,工作环境,高温,高压力（较大应力）,高温氧化（高温腐蚀）,失效形式,高温氧化（热腐蚀）,蠕变,热疲劳等,蠕变：金属在长时间的恒温、恒应力作用下，应力小于材料的屈服强,度，也会缓慢地产生塑性变形，这个现象称为蠕变。,汽轮机转子,一、耐热金属材料工作条件和性能要求工作环境汽轮机转子,4,一、耐热金属材料工作条件和性能要求,应具备的基本性能,优良的高温力学性能,热强性,高温化学稳定性,物理性能（高温下的热膨胀率，热导性）,良好的加工性能,钢的热强性,高温强度又称热强性，是钢在高温下抵抗塑,性变形和破断的能力。,一、耐热金属材料工作条件和性能要求应具备的基本性能,5,一、耐热金属材料工作条件和性能要求,热强性能指标的表达方式,蠕变极限，持久强度、持久寿命。,蠕变极限,：,在给定温度下和规定时间内到达规定变形量时,所能承受的应力。或在给定的温度下，使试样,产生规定的蠕变速度的应力。,持久强度,：在一定温度下，在规定时间内，材料断裂所能,承受的最大应力。,持久寿命,：在某一温度和规定应力作用下，从作用开始到,拉断的时间。,一、耐热金属材料工作条件和性能要求热强性能指标的表达方式,6,二、耐热钢的抗氧化性,抗氧化性,不是说在高温条件下不被氧化，而是指在高温下迅速氧化，但在氧化后能在金属表面形成一层连续致密的，并能牢固附着在金属表面的氧化薄膜，这层薄膜起到隔绝氧气与金属基体接触的作用，防止金属被继续氧化。,抗氧化性评定方法,增重法，减重法（单位时间单位面积上氧化后重量的增减来表征），容量法（恒压下测量O,2,的消耗量），压力法（密闭容器中，用压力下降来测定氧气的消耗量）,二、耐热钢的抗氧化性抗氧化性不是说在高温条件下不被氧化，而是,7,（一）普通钢的高温氧化,超过300，碳钢就会发生明显氧化，温度再升高，氧化加剧。超过570 氧化特别强烈。570 以下，Fe的氧化膜主要由Fe,2,O,3,Fe,3,O,4,组成，但超过570 主要由FeOFe,3,O,4,+Fe,2,O,3,组成，而FeO是缺位固溶体，氧原子能自由进入,Fe,FeO,Fe,3,O,4,Fe,2,O,3,O,2,570 以上Fe氧化膜示意图,（一）普通钢的高温氧化超过300，碳钢就会发生明显氧化，温,8,（2）提高钢抗氧化性的途径,形成保护性的氧化膜,主要采用合金化的方法，一般添加Cr，Al，Si元素形成Cr,2,O,3,，Al,2,O,3,和SiO,2,氧化膜，防止氧化,Cr是最常用的抗氧化元素,渗铝，渗Cr或者在金属表面涂覆保护性的薄膜也是常用的方法,（2）提高钢抗氧化性的途径形成保护性的氧化膜,9,三、耐热金属的热强性（高温强度）,金属高温力学性能的特点,1、与室温力学性能的区别在于受,温度,和,时间,的影响,2、高温下的断裂形式发生变化,常温下均为,穿晶,断裂，高温下经常为,沿晶,断裂,三、耐热金属的热强性（高温强度）金属高温力学性能的特点,10,三、耐热金属的热强性（高温强度）,提高耐热钢热强性途径,1.影响热强性的因素,（1）影响耐热钢软化的因素,温度提高，原子间结合力下降，原子扩散系数,增大，使钢中的亚稳态向稳态过渡等导致软化,（2）形变断裂方式的变化,穿晶沿晶,三、耐热金属的热强性（高温强度）提高耐热钢热强性途径,11,三、耐热金属的热强性（高温强度）,2.提高热强性途径,（1）基体强化,提高基体的原子间结合力，降低固溶体的,扩散过程。一般熔点高，自扩散系数小，能提,高再结晶温度的合金元素固溶于基体都能提高,热强性，如Mo，W，Co，Cr等。另外，奥氏体,组织较铁素体结合紧密，扩散不易进行。,三、耐热金属的热强性（高温强度）2.提高热强性途径,12,提高耐热钢热强性途径,（2）第二相沉淀强化,主要要求第二相稳定，不易聚集长大，能在高温长期,保持细小弥散分布。耐热钢大多用高熔点碳化物作强,化相，如MC，M,23,C,6,，M,6,C，更高温度则用金属间化合物,作强化相，如Ni,3,（Al.Ti），Ni,3,Ti，Ni,3,Al等,（3）晶界强化,高温晶界强度低，适当增大晶粒度，减少晶界数量是,常用的方法，另外，还可以采用a.净化晶界；b.填充,晶界空位；c.晶界沉淀强化等手段强化晶界。,提高耐热钢热强性途径,13,四、耐热钢和耐热合金的分类,按元素分:Fe基，Ni基，Co基，Mo基，Ta基，,Nb基等。,按组织分：,-Fe基耐热钢,（珠光体耐热钢，马氏体耐热钢，,铁素体耐热钢）,-Fe基耐热钢,（奥氏体耐热钢）,Ni基耐热合金,（Cr20Ni80为基础）,难熔金属耐热合金,四、耐热钢和耐热合金的分类按元素分:Fe基，Ni基，Co基，,14,10.2 抗氧化钢,工作环境：高温下长期工作,载荷不大,应用举例：工业加热炉的构件,分类：铁素体型抗氧化钢,奥氏体型抗氧化钢,10.2 抗氧化钢工作环境：高温下长期工作,15,10.2 抗氧化钢,铁素体型抗氧化钢,在铁素体不锈钢基础上添加适量的Si，Al发,展而来。,Cr13型：Cr13Si3，Cr13SiAl，800-850,Cr18型：Cr18Si2，Cr17Al4Si，1000,Cr25型：Cr24Al2Si，Cr25Si2，1050-1100,特点：抗氧化性能良好，但韧性低，不宜承受载荷,10.2 抗氧化钢铁素体型抗氧化钢,16,10.2 抗氧化钢,奥氏体型抗氧化钢,在奥氏体不锈钢基础上发展而来，比铁素体不锈钢,有更好的热强性和加工工艺性能，可承受一定载荷。,代表：Cr18Ni25Si2,为了节省Ni，开发了Fe-Al-Mn 和Cr-Mn-N系,10.2 抗氧化钢奥氏体型抗氧化钢,17,10.3 珠光体及马氏体耐热钢,10.3.1 珠光体耐热钢,一、概述,定义：珠光体耐热钢指在正火状态下，显微组,织是珠光体的耐热钢。,应用：石油化工，动力工业,分类：低碳珠光体耐热钢和中碳珠光体耐热钢。,10.3 珠光体及马氏体耐热钢10.3.1 珠光体耐热钢,18,二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）,1.,工作条件及性能要求,工作条件,：主要用作锅炉,管，管内高压蒸汽，外壁,与火焰烟气接触,性能要求,：,足够的高温强度和持久性能,足够的抗氧化及耐蚀性能,足够的组织稳定性能,良好的冷、热加工性能,二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）1.工作条件及性能要求,19,二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）,2、化学成分特点：,低的含碳量：0.08-0.2,可保证良好的冷、热加工性，,抗氧化性，不易产生碳化物,的聚集长大、球化和石墨化。,适量的Cr，Mo，W，V，Ti，Nb,为进一步提高抗氧化性，稳定,钢的组织及热强性。,代表牌号：,16Mo、12CrMo、12CrMoV，使用温度为(350550),冷拔锅炉管,二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）2、化学成分特点：冷拔锅,20,二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）,3.组织稳定性,低碳珠光体耐热钢在使用过程中组织经常,发生一系列的变化，导致构件失效，主要有,三个方面：,（1）珠光体的球化及碳化物聚集长大,（2）石墨化,（3）合金元素在固溶体和碳化物中的扩散和,再分配,二、低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢）3.组织稳定性,21,（1）珠光体的球化及碳化物聚集长大,珠光体耐热钢在高温下长期使用，都发生层,片状珠光体球化和片状渗碳体的聚集长大。使,钢的强度明显降低，完全球化后的持久强度比,未球化的降低1/3左右。,一般添加Cr，Mo，V形成碳化物，可明显阻,止渗碳体的球化。,（1）珠光体的球化及碳化物聚集长大珠光体耐热钢在高温下长期使,22,未球化，珠光体中碳化物略呈片状,轻度球化，珠光体区域中碳化物开始分散，并开始向晶界扩散，珠光体形态尚明显。,中度球化，珠光体区域中的碳化物已明显分散，并已向晶界聚集，珠光体尚保留其形态,完全球化，珠光体已基本消失，球状碳化物分布在晶界及铁素体基体上，分散度大,未球化，珠光体中碳化物略呈片状 轻度球化，珠光体区域中碳化物,23,（2）石墨化,是低碳珠光体耐热钢组织变化中最危险的组织,渗碳体分解出石墨,Fe,3,C3FeG（石墨）,后果：钢的蠕变极限，持久强度，塑性，韧性明显下降,预防：0.3-0.5的Cr可预防石墨化，强碳化物形成元素可抑制石墨化,促进石墨化元素：Mo，Al，Si，Ni,（2）石墨化是低碳珠光体耐热钢组织变化中最危险的组织,24,1级石墨化，现象不明显，游离碳占20%左右。,b,降低不明显，a,k,7%,2级明显石墨化，游离碳占40%左右。2-3级时,b,降低8-10%，a,k,4-7%,1级石墨化，现象不明显，游离碳占20%左右。b降低不明显，,25,（3）合金元素在固溶体和碳化物中的扩散和再分配,含Mo的珠光体耐热钢，如16Mo，15CrMo等，,在高温下工作，固溶体中的Mo会逐渐减少，而,碳化物中的Mo会逐渐增多。,使钢的热强性严重下降,降低合金元素再分配方法,固溶体复合合金化,加入Ti，V，Nb等强碳化物形成元素,（3）合金元素在固溶体和碳化物中的扩散和再分配含Mo的珠光体,26,二、中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢）,耐热的紧固件（螺栓，螺母，气封弹簧片，阀杆），汽轮机转子（主轴，叶轮）等,二、中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢）耐热的紧固件（,27,二、中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢）,使用环境特点：,温度低于锅炉管子,承受扭转，弯曲，震动所产生的应力和温度梯度引起的热应力,性能要求,较高的热强性，热疲劳性，高温塑性，韧性的综合性能,加工,一般采用锻造加工，少用焊接,合金化特点,含碳量较高Cr，Mo（提高淬透性和回火稳定性）适量的Ti，Nb，V，B等。,热处理,淬火高温回火,二、中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢）使用环境特点：,28,10.3.2 马氏体耐热钢,汽轮机叶片,叶片用钢,内燃机排气阀用钢,10.3.2 马氏体耐热钢汽轮机叶片叶片用钢,29,叶片用钢,工作环境：承受复杂应力,高压蒸汽冲刷,性能要求：高的耐蚀性，热强性，耐磨性，,抗氧化性,成分特点：在Cr13基础上适当添加W，V，Nb,等元素提高热强性,代表钢种：1Cr13，2Cr13，15Cr11MoV,叶片用钢工作环境：承受复杂应力,30,内燃机排气阀用钢,工作环境：700-850，燃气中含有Na，S，V等气体和盐类介质,损伤形式：机械疲劳，热疲劳，气体冲刷等,性能要求：高温强度，硬度，韧性，抗氧化性，耐蚀性，组织稳定,成分特点：添加Si提高抗氧化性，Mo提高淬透性和第二类回火脆性,代表钢种：4Cr9Si2，4Cr14Ni14W2Mo,热处理工艺：淬火+高温回火，使用组织：索氏体,内燃机排气阀用钢工作环境：700-850，燃气中含有Na，,31,10.4 奥氏体耐热钢及耐热合金,概述：,珠光体及马氏体耐热钢均为-Fe基，在使用,温度超过600以上，化学稳定性和热稳定性,都不足以保证良好的使用性能，这时必须采用,-Fe基奥氏体耐热钢或耐热合金,10.4 奥氏体耐热钢及耐热合金概述：,32,10.4 奥氏体耐热钢及耐热合金,-Fe基奥氏体耐热钢比-Fe基耐热钢具有,更高的热强性，原因在于：,1.-Fe晶型的原子间结合力比-Fe大；,2.-Fe中Fe及其他元素原子的扩散系数,小，再结 晶温度高，