耐熱鋼設計范文

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一、耐熱鋼的工作條件和性能

耐熱鋼的發展是高溫下工作的動力機械的需要，如火電廠的蒸汽鍋爐，蒸汽渦輪、航空工業的噴氣發動機，以及航天、艦船、石油和化工等工業部門的高溫工作部件。它們在高溫下承受各種載荷，如拉伸、彎曲、扭轉、疲勞和沖擊等。此外，它們還與高溫、蒸汽、空氣或燃氣接觸，表面發生高溫氧化或氣體腐蝕。在高溫下工作，鋼將發生原子擴散過程，并引起組織轉變，這就是與低溫工作部件的不同點。耐熱鋼的基本要求是：一是要具有良好的高溫強度及與之相適應的塑性；

二、是要具有足夠高的化學穩定性(如抗氧化、抗腐蝕等)

鋼在溫度和應力作用下將發生連續而緩慢的變形，即蠕變，鋼中的組織變化是蠕變的內因，表示高溫強度的指標有三種：其一為蠕變強度，它表示在某種溫度下，在規定時間達到規定變形(如0.1%)時，所能承受的應力；其二為持久強度，它指定在規定的溫度和規定時間斷裂所能承受的應力；其三為持久壽命，它表示在規定溫度和規定應力作用下，拉斷時間。另外，高溫下的緊固件要求有低的應力松馳性能。承受交變應力的高溫零件要求高的高溫疲勞強度。

鋼在高溫下與空氣接觸將發生氧化，表面氧化膜的結構因溫度和合金的化學成份而有著不同的化學穩定性。鋼在575℃以下表面生成Fe2O3和Fe3O4層，在575℃以上出現FeO層，此時氧化膜外表層為Fe2O3，中間層為Fe3O4，與鋼接觸層為FeO。當FeO出現時，鋼的氧化速度劇增。FeO為鐵的缺位固溶體，鐵離子有很高的擴散速率，因而FeO層增厚最快，Fe3O4和Fe2O3層較薄，氧化膜的生成依靠鐵離子向表層擴散，氧離子向內層擴散。由于鐵離子半徑比氧離子小，因而氧化膜的生成主要靠鐵離子向外擴散。要提高鋼的抗氧化性，首先要阻止FeO出現。加入形成穩定而致密氧化膜的合金元素，能使鐵離子和氧離子通過膜的擴散速率減慢，并使膜與基體牢固結合，可以提高鋼在高溫下的化學穩定性。合金元素對鋼的氧化速度的影響見下圖：

二、合金元素對鋼的氧化速度的影響：

鋼中加入鉻、鋁、硅，可以提高FeO出現的溫度，改善鋼的高溫化學穩定性。就質量分數而言，1.03%Cr可使FeO在600℃出現，1.14%Si使FeO在750℃出現，1.1%Al+0.4%Si可使FeO在800℃出現。當鉻和鋁含量高時，鋼的表面可生成致密的Cr2O3或Al2O3保護膜。通常在鋼表面生成FeO•Cr2O3或FeO•Al2O3等尖晶石類型的氧化膜，含硅鋼中生成Fe2SiO4氧化膜，它們都有良好的保護作用。鉻是提高抗氧化能力的主要元素，鋁也能單獨提高鋼的抗氧化能力。而硅由于增加鋼的脆性，加入量受到限制，只能作輔加元素。其他元素對鋼抗氧化能力影響不大，少量稀土金屬或堿土金屬能提高耐熱鋼和耐熱合金的抗氧化能力，特別在1000℃以上，使高溫下晶界優先氧化的現象幾乎消失。鎢和鉬將降低鋼和合金的抗氧化能力，由于氧化膜內層貼著金屬生成含鎢和鉬的氧化物，而MoO3和WO3具有低熔點和高揮發性，使抗氧化能力變壞。

三、合金元素的比例對不同體型耐熱鋼的高溫強度的影響

耐熱鋼根據顯微組織不同可分為鐵素體型耐熱鋼和奧氏體形耐熱鋼兩大類。其中，鐵素體型耐熱鋼工作范圍的350--650℃。這類鋼的合金元素總量不超過5%。它的強化方法是固溶強化和碳化物沉淀強化。

固溶強化元素有鎢、鉬、鉻。鎢、鉬鉻溶于基體a相，能增強基體原子間結合強度，提高再結晶溫度，因而能顯著地提高基體的蠕變抗力。鉻在ω≤0.5%時強化基體的作用較強，鉻再增加則強化作用增加很少。其他元素如錳、硅、鎳、鈷的影響很小。

碳化物沉淀強化作用以MC型最高，它不易聚集長大；M2C型的沉淀強化作用次之；M6C型又次之；M7C3型由于聚集長大速度高，將降低鋼的蠕變強度。碳化物形成元素有釩、鈦、鈮在鋼中形成各自的特殊碳化物VC、TiC、NbC。鎢、鉬在鋼中形成M2C型的W2C、Mo2C和M6C型的Fe3W3C、Fe3Mo3C;鉻在鋼中的含量低時，出現合金滲碳體(Fe,Cr)3C;當ω超過2%--3%時，出現(Fe,Cr)7C3碳化物。

含鎢、鉬、釩、鈮的鋼經過熱處理，在500--700℃范圍析出MC和M2C型碳化物，產生沉淀強化，當V/C=4，符合VC化學式時，碳和釩幾乎全部結合形成VC，就達到最佳的沉淀效果，具有最高的蠕變抗力。鈮和鈦的作用與釩相似，當Nb/C=8,Ti/C=3時，幾乎全部形成NbC和TiC，具有最高蠕變抗力。當其比例小于各自的數值時，有剩余碳有存在，它就會與鎢、鉬形成M2C或M6C型碳化物。這兩種碳化物，尤其是M6C，其聚集長大速度高，強化效果差，同時減少了鎢、鉬在基體中的固溶強化作用。當釩、鈮、鈦與碳的比例超過各自的數值時，過剩的釩會降低基體的蠕變抗力，過剩的鈮或鈦會形成AB2相，如Fe2Nb和Fe2Ti其聚集長大速度較高，對蠕變強度不利。

具有體心立方結構的鐵素體型耐熱鋼在600-650℃溫度條件下的蠕變強度明顯下降。而具有面心立方結構的奧氏體型耐熱鋼，在650℃或更高的溫度下有較高高溫的強度。奧式體型耐熱鋼可分為Cr18Ni9型奧氏體不銹鋼、固溶強化型奧氏體耐熱鋼和沉淀強化型奧氏體耐熱鋼。

固溶強化型奧氏體耐熱鋼是以鎢、鉬進行固溶強化，以硼進行晶界強化。這類鋼的沉淀強化相為MC碳化物，并含有鎢、鉬等固溶強化元素。當釩、鈮和碳的比例正好和VC和NbC的化學式相等時，具有最佳的高溫強度。VC析出的最高速度的溫度在670--700℃，在此溫度時效后，鋼具有最高的沉淀硬化。另外一種碳化物是復合的M23C6型的(Cr,Mn,Mo,Fe,V)23C6,它是不能成為沉淀強化相。

四、顯微組織對耐熱鋼的強度影響

顯微組織對耐熱鋼的蠕變強度有著很大的影響。以12Cr1MoV鋼為例，經980℃奧氏體化后爐冷(1--6℃/min),得到鐵素體加珠光體組織；空冷(200--500℃/min)得到粒狀貝氏體加入少量鐵素體和馬氏體組織；淬火(>600℃/min)得到馬氏體組織。后兩者須經過高溫回火。三者在580℃和600℃長時間持久強度試驗表明，馬氏體高溫回火的組織具有最高的持久強度，粒狀貝氏體高溫回火的組織次之，鐵素體一珠光體組織最低，試驗結果見下表。

熱處理制度580℃600℃

但持久塑性，則具有鐵素體—珠光體組織的最高，粒狀見氏體高溫回火組織的最低，馬氏體高溫回火組織的居中。因此，可以通過熱處理來改變耐熱鋼的組織，來獲得提高蠕變和持久強度的一個途徑。

五、結論

通過上述研究可得到以下結論：

(1)耐熱鋼中的合金元素的比例含量對耐熱鋼的抗氧化性、抗腐蝕性、強度有著重大有影響

(2)耐熱鋼的顯微組織的不同對耐熱鋼的強度、塑性同樣也有著很大的影響

(3)鋼中有害雜質元素對耐熱鋼的力學性能有著不利的影響。

(4)在設計耐熱鋼時，應根據耐熱鋼的工作溫度、承載能力，使用壽命等方面來進行加入的合金元素比例，制定正確熱處理工藝來獲得合理的顯微組織。

摘要：材料的化學成份和組織結構決定了材料的性能。因此，利用材料不同的化學成份和組織結構就可以得到能夠滿足人們某種需要的材料。基于這一思想，在過去的幾十年里，人們已經探索出了許多能夠滿足人們某種需要的新材料。本論文也是基于上述思想對耐熱鋼進行設計的。

關鍵詞：組織結構、耐熱鋼、性能

金屬材料是現代文明的基礎，從歷史的發展來看，人類由石器時代進入青銅器時代，人類社會的生產產生了一次重大的飛躍;進入鐵器時代，人類社會的生產又一次得到迅猛的發展。在目前為止，人類還是處在金屬器的時代，因為金屬材料的性能決定了它的用途和工作條件，隨著社會的進步、科學的發展，人們對金屬材料的性能要求也在不斷的提高，所以，人們研究金屬與合金，主要是為了更有效地使用金屬材料。要達到這個目的，就必須充分了解影響金屬材料性能的各種因素，掌握提高其性能的途徑。雖然金屬材料的性能受到了許多方面因素的影響，是一個十分復雜的問題。但人們在長期的實踐和探索研究中發現：決定金屬及合金性能的基本因素是它們內部的微觀構造，即其內部結構和組織狀態。