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耐熱鋼(耐熱合金)和高溫合金的含義

日期:2021-12-02 00:19
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摘要:<p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">耐熱鋼(耐熱合金)和高溫合金的含義</span></span><span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><br /> </span><span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">先來說耐熱鋼和耐熱合金。這兩者的區別並沒有明確的規定,通常將合金元素含量小於</span>50%<span style="font-family:宋體;">的稱為耐熱鋼,合金元素含量大於</span><span style="font-family:Calibri;">50%</span><span style="font-family:宋體;">的,叫做(鐵基)耐熱合金。兩者的分別主要在於合金元素含量。</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">再來說耐熱鋼和高溫合金。耐熱鋼是指具有良好的高溫抗氧化性和高溫強度的鋼。耐熱鋼和耐熱合金在較高載荷下的*高使用溫度一般隻能達到</span>750<span style="font-family:宋體;">℃~</span><span style="font-family:Calibri;">850</span><span style="font-family:宋體;">℃。對於更高溫度下使用的部件,則采用鎳基、鈷基及難熔金屬為基的高溫合金。兩者的分別主要在於耐高溫溫度範圍。</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:Calibri;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;mso-fareast-font-family:宋體;"><span style="font-family:宋體;">高溫工況對金屬的耐熱性提出了什麼挑戰?耐熱性具體的含義?</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">金屬材料的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強度兩個方麵。</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;">①<span style="font-family:Calibri;">&nbsp;</span><span style="font-family:宋體;">高溫抗氧化性</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">金屬的高溫抗氧化性是指鋼在高溫條件下對氧化作用的抗力,是鋼能否持久地在高溫下工作的重要保證條件</span></span><span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">。</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">氧化是一種典型的化學腐蝕,在高溫空氣、燃燒廢氣等氧化性氣氛中,金屬與氧接觸發生化學反應即氧化腐蝕,腐蝕產物</span>(<span style="font-family:宋體;">氧化膜</span><span style="font-family:Calibri;">)</span><span style="font-family:宋體;">附著在金屬的表麵。隨著氧化的進行,氧化膜厚度繼續增加,金屬氧化到一定程度後是否繼續氧化,直接取決於金屬表麵氧化膜的性能。如果生成的氧化膜是致密、穩定的,與基體金屬結合力高,氧化膜強度較高,就能夠阻止氧原子向金屬內部的擴散,降低氧化速度,否則會加速氧化,使金屬表麵起皮和脫落等,導致零件早期失效。</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">鋼表麵氧化膜的組成與溫度有關,在</span>570<span style="font-family:宋體;">℃以下,氧化膜由</span><span style="font-family:Calibri;">Fe2O3+Fe3O4</span><span style="font-family:宋體;">組成,比較致密,能有效地阻礙氧的擴散,抗氧化性較好。大於</span><span style="font-family:Calibri;">570</span><span style="font-family:宋體;">℃加熱,氧化膜由</span><span style="font-family:Calibri;">FeO+Fe2O3+Fe3O4</span><span style="font-family:宋體;">組成,靠近鋼表麵的是</span><span style="font-family:Calibri;">FeO</span><span style="font-family:宋體;">,向外依次為</span><span style="font-family:Calibri;">Fe3O4</span><span style="font-family:宋體;">和</span><span style="font-family:Calibri;">Fe2O3</span><span style="font-family:宋體;">,</span><span style="font-family:Calibri;">FeO</span><span style="font-family:宋體;">疏鬆多孔,占整個氧化膜厚的</span><span style="font-family:Calibri;">90%</span><span style="font-family:宋體;">左右,金屬原子和氧原子很容易通過</span><span style="font-family:Calibri;">FeO</span><span style="font-family:宋體;">層擴散,加速氧化。高溫下</span><span style="font-family:Calibri;">FeO</span><span style="font-family:宋體;">的存在,鋼的抗氧化性大大下降,而且溫度越高,原子擴散越快,氧化速度越快。</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">提高鋼的抗氧化性主要途徑是合金化,在鋼中加入</span>Cr<span style="font-family:宋體;">、</span><span style="font-family:Calibri;">Si</span><span style="font-family:宋體;">、</span><span style="font-family:Calibri;">Al</span><span style="font-family:宋體;">等合金元素,使鋼在高溫與氧接觸時,優先形成致密的高熔點氧化膜</span><span style="font-family:Calibri;">Cr2O3</span><span style="font-family:宋體;">、</span><span style="font-family:Calibri;">SiO2</span><span style="font-family:宋體;">、</span><span style="font-family:Calibri;">Al2O3</span><span style="font-family:宋體;">等,嚴密地覆蓋住鋼的表麵,阻止氧化的繼續進行。</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;">②<span style="font-family:Calibri;">&nbsp;</span><span style="font-family:宋體;">高溫強度</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;">&nbsp;<span style="font-family:宋體;">金屬的高溫強度是指金屬材料在高溫下對機械載荷作用的抗力,即高溫下金屬材料抵抗塑性變形和破壞的能力。</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">金屬在高溫下表現出的力學性能與室溫下有較大的區別,當工作溫度大於再結晶溫度後,金屬除了受外力作用產生了塑性變形和加工硬化外,還會發生再結晶和軟化過程,因此在室溫下能正常服役的零件就難以滿足高溫下的要求。</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">金屬在高溫下的力學性能與溫度、時間、組織變化等因素有關。</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">金屬在高溫下工作常會發生</span>“蠕變”現象,即當工作溫度大於再結晶溫度時,工作應力超過該溫度下的彈性極限時,隨時間的延長金屬發生緩慢變形的現象。金屬對蠕變的抗力越大,其高溫強度也越高。</span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">金屬的高溫強度一般用蠕變極限和持久強度來表示。蠕變極限是指金屬在某溫度下,經過一段時間後,其殘餘變形量達一定數值時的應力值。持久強度是指在恒定溫度下經過一定時間,金屬材料發生斷裂破壞時的應力值。</span></span> </p> <p style="margin:0pt;"> <span style="font-family:宋體;font-size:10.5pt;mso-spacerun:&quot;yes&quot;;mso-ascii-font-family:Calibri;mso-hansi-font-family:Calibri;mso-bidi-font-family:&quot;Times New Roman&quot;;mso-font-kerning:1.0000pt;"><span style="font-family:宋體;">金屬材料在高溫下晶界強度低於晶內,因此加入合金元素提高再結晶溫度,形成穩定的特殊碳化物,以及采用粗晶材料,減少晶界等都能有效地提高鋼的高溫強度。</span></span> </p>

耐熱鋼(耐熱合金)和高溫合金的含義
先來說耐熱鋼和耐熱合金。這兩者的區別並沒有明確的規定,通常將合金元素含量小於50%的稱為耐熱鋼,合金元素含量大於50%的,叫做(鐵基)耐熱合金。兩者的分別主要在於合金元素含量。

再來說耐熱鋼和高溫合金。耐熱鋼是指具有良好的高溫抗氧化性和高溫強度的鋼。耐熱鋼和耐熱合金在較高載荷下的*高使用溫度一般隻能達到750℃~850℃。對於更高溫度下使用的部件,則采用鎳基、鈷基及難熔金屬為基的高溫合金。兩者的分別主要在於耐高溫溫度範圍。

高溫工況對金屬的耐熱性提出了什麼挑戰?耐熱性具體的含義?

金屬材料的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強度兩個方麵。

 高溫抗氧化性

金屬的高溫抗氧化性是指鋼在高溫條件下對氧化作用的抗力,是鋼能否持久地在高溫下工作的重要保證條件

氧化是一種典型的化學腐蝕,在高溫空氣、燃燒廢氣等氧化性氣氛中,金屬與氧接觸發生化學反應即氧化腐蝕,腐蝕產物(氧化膜)附著在金屬的表麵。隨著氧化的進行,氧化膜厚度繼續增加,金屬氧化到一定程度後是否繼續氧化,直接取決於金屬表麵氧化膜的性能。如果生成的氧化膜是致密、穩定的,與基體金屬結合力高,氧化膜強度較高,就能夠阻止氧原子向金屬內部的擴散,降低氧化速度,否則會加速氧化,使金屬表麵起皮和脫落等,導致零件早期失效。

鋼表麵氧化膜的組成與溫度有關,在570℃以下,氧化膜由Fe2O3+Fe3O4組成,比較致密,能有效地阻礙氧的擴散,抗氧化性較好。大於570℃加熱,氧化膜由FeO+Fe2O3+Fe3O4組成,靠近鋼表麵的是FeO,向外依次為Fe3O4Fe2O3FeO疏鬆多孔,占整個氧化膜厚的90%左右,金屬原子和氧原子很容易通過FeO層擴散,加速氧化。高溫下FeO的存在,鋼的抗氧化性大大下降,而且溫度越高,原子擴散越快,氧化速度越快。

提高鋼的抗氧化性主要途徑是合金化,在鋼中加入CrSiAl等合金元素,使鋼在高溫與氧接觸時,優先形成致密的高熔點氧化膜Cr2O3SiO2Al2O3等,嚴密地覆蓋住鋼的表麵,阻止氧化的繼續進行。

 高溫強度

 金屬的高溫強度是指金屬材料在高溫下對機械載荷作用的抗力,即高溫下金屬材料抵抗塑性變形和破壞的能力。

金屬在高溫下表現出的力學性能與室溫下有較大的區別,當工作溫度大於再結晶溫度後,金屬除了受外力作用產生了塑性變形和加工硬化外,還會發生再結晶和軟化過程,因此在室溫下能正常服役的零件就難以滿足高溫下的要求。

金屬在高溫下的力學性能與溫度、時間、組織變化等因素有關。

金屬在高溫下工作常會發生“蠕變”現象,即當工作溫度大於再結晶溫度時,工作應力超過該溫度下的彈性極限時,隨時間的延長金屬發生緩慢變形的現象。金屬對蠕變的抗力越大,其高溫強度也越高。

金屬的高溫強度一般用蠕變極限和持久強度來表示。蠕變極限是指金屬在某溫度下,經過一段時間後,其殘餘變形量達一定數值時的應力值。持久強度是指在恒定溫度下經過一定時間,金屬材料發生斷裂破壞時的應力值。

金屬材料在高溫下晶界強度低於晶內,因此加入合金元素提高再結晶溫度,形成穩定的特殊碳化物,以及采用粗晶材料,減少晶界等都能有效地提高鋼的高溫強度。

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