耐热钢设计范文

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一、耐热钢的工作条件和性能

耐热钢的发展是高温下工作的动力机械的需要，如火电厂的蒸汽锅炉，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高温工作部件。它们在高温下承受各种载荷，如拉伸、弯曲、扭转、疲劳和冲击等。此外，它们还与高温、蒸汽、空气或燃气接触，表面发生高温氧化或气体腐蚀。在高温下工作，钢将发生原子扩散过程，并引起组织转变，这就是与低温工作部件的不同点。耐热钢的基本要求是：一是要具有良好的高温强度及与之相适应的塑性；

二、是要具有足够高的化学稳定性(如抗氧化、抗腐蚀等)

钢在温度和应力作用下将发生连续而缓慢的变形，即蠕变，钢中的组织变化是蠕变的内因，表示高温强度的指标有三种：其一为蠕变强度，它表示在某种温度下，在规定时间达到规定变形(如0.1%)时，所能承受的应力；其二为持久强度，它指定在规定的温度和规定时间断裂所能承受的应力；其三为持久寿命，它表示在规定温度和规定应力作用下，拉断时间。另外，高温下的紧固件要求有低的应力松驰性能。承受交变应力的高温零件要求高的高温疲劳强度。

钢在高温下与空气接触将发生氧化，表面氧化膜的结构因温度和合金的化学成份而有着不同的化学稳定性。钢在575℃以下表面生成Fe2O3和Fe3O4层，在575℃以上出现FeO层，此时氧化膜外表层为Fe2O3，中间层为Fe3O4，与钢接触层为FeO。当FeO出现时，钢的氧化速度剧增。FeO为铁的缺位固溶体，铁离子有很高的扩散速率，因而FeO层增厚最快，Fe3O4和Fe2O3层较薄，氧化膜的生成依靠铁离子向表层扩散，氧离子向内层扩散。由于铁离子半径比氧离子小，因而氧化膜的生成主要靠铁离子向外扩散。要提高钢的抗氧化性，首先要阻止FeO出现。加入形成稳定而致密氧化膜的合金元素，能使铁离子和氧离子通过膜的扩散速率减慢，并使膜与基体牢固结合，可以提高钢在高温下的化学稳定性。合金元素对钢的氧化速度的影响见下图：

二、合金元素对钢的氧化速度的影响：

钢中加入铬、铝、硅，可以提高FeO出现的温度，改善钢的高温化学稳定性。就质量分数而言，1.03%Cr可使FeO在600℃出现，1.14%Si使FeO在750℃出现，1.1%Al+0.4%Si可使FeO在800℃出现。当铬和铝含量高时，钢的表面可生成致密的Cr2O3或Al2O3保护膜。通常在钢表面生成FeO•Cr2O3或FeO•Al2O3等尖晶石类型的氧化膜，含硅钢中生成Fe2SiO4氧化膜，它们都有良好的保护作用。铬是提高抗氧化能力的主要元素，铝也能单独提高钢的抗氧化能力。而硅由于增加钢的脆性，加入量受到限制，只能作辅加元素。其他元素对钢抗氧化能力影响不大，少量稀土金属或碱土金属能提高耐热钢和耐热合金的抗氧化能力，特别在1000℃以上，使高温下晶界优先氧化的现象几乎消失。钨和钼将降低钢和合金的抗氧化能力，由于氧化膜内层贴着金属生成含钨和钼的氧化物，而MoO3和WO3具有低熔点和高挥发性，使抗氧化能力变坏。

三、合金元素的比例对不同体型耐热钢的高温强度的影响

耐热钢根据显微组织不同可分为铁素体型耐热钢和奥氏体形耐热钢两大类。其中，铁素体型耐热钢工作范围的350--650℃。这类钢的合金元素总量不超过5%。它的强化方法是固溶强化和碳化物沉淀强化。

固溶强化元素有钨、钼、铬。钨、钼铬溶于基体a相，能增强基体原子间结合强度，提高再结晶温度，因而能显著地提高基体的蠕变抗力。铬在ω≤0.5%时强化基体的作用较强，铬再增加则强化作用增加很少。其他元素如锰、硅、镍、钴的影响很小。

碳化物沉淀强化作用以MC型最高，它不易聚集长大；M2C型的沉淀强化作用次之；M6C型又次之；M7C3型由于聚集长大速度高，将降低钢的蠕变强度。碳化物形成元素有钒、钛、铌在钢中形成各自的特殊碳化物VC、TiC、NbC。钨、钼在钢中形成M2C型的W2C、Mo2C和M6C型的Fe3W3C、Fe3Mo3C;铬在钢中的含量低时，出现合金渗碳体(Fe,Cr)3C;当ω超过2%--3%时，出现(Fe,Cr)7C3碳化物。

含钨、钼、钒、铌的钢经过热处理，在500--700℃范围析出MC和M2C型碳化物，产生沉淀强化，当V/C=4，符合VC化学式时，碳和钒几乎全部结合形成VC，就达到最佳的沉淀效果，具有最高的蠕变抗力。铌和钛的作用与钒相似，当Nb/C=8,Ti/C=3时，几乎全部形成NbC和TiC，具有最高蠕变抗力。当其比例小于各自的数值时，有剩余碳有存在，它就会与钨、钼形成M2C或M6C型碳化物。这两种碳化物，尤其是M6C，其聚集长大速度高，强化效果差，同时减少了钨、钼在基体中的固溶强化作用。当钒、铌、钛与碳的比例超过各自的数值时，过剩的钒会降低基体的蠕变抗力，过剩的铌或钛会形成AB2相，如Fe2Nb和Fe2Ti其聚集长大速度较高，对蠕变强度不利。

具有体心立方结构的铁素体型耐热钢在600-650℃温度条件下的蠕变强度明显下降。而具有面心立方结构的奥氏体型耐热钢，在650℃或更高的温度下有较高高温的强度。奥式体型耐热钢可分为Cr18Ni9型奥氏体不锈钢、固溶强化型奥氏体耐热钢和沉淀强化型奥氏体耐热钢。

固溶强化型奥氏体耐热钢是以钨、钼进行固溶强化，以硼进行晶界强化。这类钢的沉淀强化相为MC碳化物，并含有钨、钼等固溶强化元素。当钒、铌和碳的比例正好和VC和NbC的化学式相等时，具有最佳的高温强度。VC析出的最高速度的温度在670--700℃，在此温度时效后，钢具有最高的沉淀硬化。另外一种碳化物是复合的M23C6型的(Cr,Mn,Mo,Fe,V)23C6,它是不能成为沉淀强化相。

四、显微组织对耐热钢的强度影响

显微组织对耐热钢的蠕变强度有着很大的影响。以12Cr1MoV钢为例，经980℃奥氏体化后炉冷(1--6℃/min),得到铁素体加珠光体组织；空冷(200--500℃/min)得到粒状贝氏体加入少量铁素体和马氏体组织；淬火(>600℃/min)得到马氏体组织。后两者须经过高温回火。三者在580℃和600℃长时间持久强度试验表明，马氏体高温回火的组织具有最高的持久强度，粒状贝氏体高温回火的组织次之，铁素体一珠光体组织最低，试验结果见下表。

热处理制度580℃600℃

但持久塑性，则具有铁素体—珠光体组织的最高，粒状见氏体高温回火组织的最低，马氏体高温回火组织的居中。因此，可以通过热处理来改变耐热钢的组织，来获得提高蠕变和持久强度的一个途径。

五、结论

通过上述研究可得到以下结论：

(1)耐热钢中的合金元素的比例含量对耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀性、强度有着重大有影响

(2)耐热钢的显微组织的不同对耐热钢的强度、塑性同样也有着很大的影响

(3)钢中有害杂质元素对耐热钢的力学性能有着不利的影响。

(4)在设计耐热钢时，应根据耐热钢的工作温度、承载能力，使用寿命等方面来进行加入的合金元素比例，制定正确热处理工艺来获得合理的显微组织。

摘要：材料的化学成份和组织结构决定了材料的性能。因此，利用材料不同的化学成份和组织结构就可以得到能够满足人们某种需要的材料。基于这一思想，在过去的几十年里，人们已经探索出了许多能够满足人们某种需要的新材料。本论文也是基于上述思想对耐热钢进行设计的。

关键词：组织结构、耐热钢、性能

金属材料是现代文明的基础，从历史的发展来看，人类由石器时代进入青铜器时代，人类社会的生产产生了一次重大的飞跃;进入铁器时代，人类社会的生产又一次得到迅猛的发展。在目前为止，人类还是处在金属器的时代，因为金属材料的性能决定了它的用途和工作条件，随着社会的进步、科学的发展，人们对金属材料的性能要求也在不断的提高，所以，人们研究金属与合金，主要是为了更有效地使用金属材料。要达到这个目的，就必须充分了解影响金属材料性能的各种因素，掌握提高其性能的途径。虽然金属材料的性能受到了许多方面因素的影响，是一个十分复杂的问题。但人们在长期的实践和探索研究中发现：决定金属及合金性能的基本因素是它们内部的微观构造，即其内部结构和组织状态。