第7章 耐温用结构材料 7.1 耐热钢 7.1.1概述 耐热钢：在高温下工作的钢。 高温下，工件会在远低于材料抗拉强度的应力下破断。

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1 第7章 耐温用结构材料 7.1 耐热钢 7.1.1概述 耐热钢：在高温下工作的钢。 高温下，工件会在远低于材料抗拉强度的应力下破断。
第7章 耐温用结构材料 7.1 耐热钢 7.1.1概述 耐热钢：在高温下工作的钢。 高温下，工件会在远低于材料抗拉强度的应力下破断。 原因是： 高温下钢被急剧地氧化，形成氧化皮，因受力截面逐渐↓而导致破坏； 温度升高使钢的强度急剧↓而导致破坏。 耐热钢：高温下保持足够的强度和抗氧化性的钢。

2 1、耐热钢的分类 （1）按性能分类： 热稳定钢（抗氧化钢）：在高温下长期工作不致因介质腐蚀而破坏钢。
热强钢：在高温下仍具有足够的强度不会大量变形或破断的钢。

3 （2）按显微组织分类 珠光体型耐热钢：一般在正火－高温回火后使用，主要用作热强钢，工作温度350℃～620℃，常用作锅炉零件等。
马氏体型耐热钢：一般在淬火－高回后使用，主要用作热强钢，由马氏体型不锈钢发展而来。主要用作汽轮机叶片、阀门钢等 铁素体型耐热钢：主要用作抗氧化钢，系高铬钢加入硅、铝等元素形成，由铁素体型不锈钢发展而来。可用作加热炉的炉底板、炉珊等。 奥氏体型耐热钢：由奥氏体型不锈钢发展而来。 用作热强钢，工作温度为600℃～810℃； 用作抗氧化钢，工作温度可达1200℃。 奥氏体耐热钢可作燃汽涡轮、航空发动机、工业炉耐热构件的高温材料。

4 2、工作条件及性能要求 工作条件：300～1200℃。 性能要求：
（1）良好的抗氧化性（耐热不起皮性） ，不会因高温引起表面的剧烈氧化、腐蚀。 （2）抗蠕变性、热强性、抗热松驰性和抗热疲劳性要好。 （3）在高温下组织稳定，以及强化机制在高温下仍有效。 （4）良好的热传导性，小的热膨胀性； （5）良好的工艺性能，好的铸造性、锻造性及焊接性，良好的成批生产性和经济性。

5 3、金属的抗氧化性 （1）、金属高温氧化机理：
高温下的氧化是典型的化学腐蚀，介质与金属直接接触发生化学反应，腐蚀产物即氧化膜附着在金属表面，若能在金属表面形成一层致密的、完整的、并能与金属表面牢固结合的氧化膜，则金属将不再被氧化。 碳钢不具备这种氧化膜。碳钢的氧化膜为： 560℃以下：基体+Fe3O4+Fe2O3； 560℃以上：基体+FeO+Fe3O4+Fe2O3。 各层氧化膜的厚度比为： FeO：Fe3O4：Fe2O3 =100：10：1 FeO：简单立方点阵，Fe原子的缺位固溶体，存在空隙，Fe2+易通过FeO层向外扩散。O原子也易于向内扩散，加剧Fe的氧化。

6 （2）提高抗氧化性的途径 从氧化机理可知：要提高钢在高温下的抗氧化性，从机理上应防止FeO形成或提高其形成温度。 基本方法：合金化。

7 （3）耐热钢的合金化原理 主要用于提高钢抗氧化性的合金元素：Cr、Si、Al。 Fe－Cr合金氧化膜的组成。 Fe－Al合金氧化膜的组成。
随Cr、Si、Al含量的↑，氧化膜中FeO量↓，FeO生成温度↑，直至氧化膜主要为Cr2O3或SiO2（Fe2SiO4）或Al2O3。 这些膜与基体结合牢固，致密，可阻止Fe2+和O原子的扩散，具有良好的保护作用。 合金元素对FeO形成温度的影响 合金成分 纯铁 +1.03%Cr +1.5%Cr +1.4%Si +0.4%Si +0.5%Si +1.1%Al +2.2%Al 氧化皮中出现FeO的下限温度 570℃ 600℃ 650℃ 750℃ 800℃ 850℃

8 合金化原理2 Fe及Fe－Cr合金氧化膜的组成 a）纯铁 b）12.23%Cr c）25%Cr

9 合金化原理3 1200℃时Fe－Al合金氧化膜的组成 a) 纯铁 b) 1%Al c ) 3%Al d ) 5%Al

10 Cr：要使氧化膜具有良好的抗氧化性，单一加入Cr的用量为： 工作温度600℃，需5%Cr； 工作温度800℃，需12%Cr；
合金化原理4 Cr：要使氧化膜具有良好的抗氧化性，单一加入Cr的用量为： 工作温度600℃，需5%Cr； 工作温度800℃，需12%Cr； 工作温度950℃，需20%Cr； 工作温度1100℃，需28%Cr； 复合加入Si、Al，可↓Cr量，↑热强性。如复合加入CrSi、CrAl、CrSiAl。 Si：常用量2-3%，多了将增加脆性。 Al：6%Al有18%Cr钢的抗氧化水平，不单独加入（因为含Al钢脆性大，难加工）

11 耐热钢中所用的其余合金元素无抗氧化作用，但有其他的作用，如： Ni、Mn：奥氏体形成元素，加入耐热钢中是为了获得奥氏体基体，改善工艺性能。
合金化原理5 耐热钢中所用的其余合金元素无抗氧化作用，但有其他的作用，如： Ni、Mn：奥氏体形成元素，加入耐热钢中是为了获得奥氏体基体，改善工艺性能。 La系稀土：有利于提高抗氧化性，因为它们能提高膜与基体的结合力。 碳：能与铬形成碳化物，将降低有效的Cr含量，有有害作用，其含量应控制在0.1%-0.2%范围内。

12 4、钢的热强性能（高温机械性能） 金属在高温下长时间承受载荷时的表现： 在远低于抗拉强度的应力作用下会产生破断；
在工作应力远低于屈服应力的情况下，会连续地、缓慢地发生塑性变形。 高温下，金属的强度与温度和时间有关。 （1）温度和时间对机械性能的影响 短时加载：随温度↑，钢的强度、硬度↓，塑性↑； 长时间加载：钢的高温强度不断地↓，塑性也↓，而且温度越高，降低愈多。

13 20号钢高温时的力学性能 40钢强度随温度和时间的变化

14 （2）温度和时间对断裂形式的影响 等强温度：晶内和晶界强度相等的温度。
工作温度＞等强温度：断裂形式将由穿晶断裂→晶间断裂，即：由韧性断裂→脆性断裂。 晶粒晶界等强温度示意图 σb—短时试验晶内强度； σb’ —短时试验晶界强度； σr—长时试验晶内强度； σr’ —长时试验晶界强度； 长时等强温度低于短时等强温度 t1<t2

15 （3）常用热强性能指标 蠕变极限：在规定时间内到达规定变形量时，所能承受的应力。 持久强度：在规定时间内材料断裂所能承受的最大应力。
两者的区别： 蠕变极限表征材料高温下对塑性变形的抗力，与常温下的σs相似； 持久强度征材料高温下对破断的抗力，与常温下的σb相似。 持久寿命：在某一温度和规定应力作用下，从开始到拉断的时间。 应力松驰：高温下总变形不变，但零件中的应力随时间的增长而自发下降的现象。

16 5、提高热强性的途径 （1）基体的固溶强化 基体的熔点高，自扩散激活能大，层错能低，耐热性提高。
基体的强度取决于原子结合力的大小，高温时，奥氏体钢比铁素体钢热强性高。 加入合金元素形成单相固溶体，可↑基体金属的热强性； 溶质原子与基体原子的半径差越大，熔点越高，增强基体热强性越显著。 Cr、Mo、W、Nb 都有固溶强化作用，并能降低基体的层错能。 加入原则：少量多元。

17 （2）晶界强化 净化晶界：加入B、稀土等与晶界偏聚的S、P等形成高熔点化合物。 减少晶界：控制晶粒度在2-4级，过粗，则脆性增大。
填充晶界上的空位：加入B、Ti、Zr填充晶界空位，降低晶界扩散，提高蠕变抗力， 晶界的沉淀强化：在晶界上沉淀出不连续的强化相，可提高热强性。

18 （3）弥散相（第二相）强化 时效析出弥散强化相，主要有两类： 难熔合金的碳化物：如MC、M6C碳化物等；
热稳定性更高的金属间化合物，如Ni3Ti、Ni3Al、Ni3(Ti、Al)等。 它们稳定，不易聚集长大，高温下能长期保持细小均匀的弥漫状态。 加入难熔弥散相。 实际应用时，一般都综合采用以上方法 。

19 抗氧化钢（热稳定性钢） 1、铁素体型 在铁素体型不锈钢基础上进行抗氧化合金化而形成的钢种。具有单相铁素体基体，表面容易获得连续的保护性氧化膜。 铁素体型抗氧化钢的牌号及化学成分（摘自GB/T1221－1992） 序号 牌号 化学成分（质量分数）% C Si Mn P S Cr N 其他 21 2Cr25N ≤0.20 ≤1.00 ≤1.50 ≤0.040 ≤0.030 23.00～27.00 ≤0.25 22 0Cr13Al ≤0.08 11.50～14.50 － Al0.10～0.30 23 00Cr12 11.00～13.00 24 1Cr17 ≤0.12 ≤0.75 16.00～18.00 铁素体型抗氧化钢的钢种主要有3种类型，随铬含量的提高，钢种的使用温度也相应提高。 Cr13型(0Cr13Al、00Cr12)：使用温度为 ℃； Cr18型(1Cr17)：使用温度为 ℃； Cr25型(2Cr25N)：使用温度为 ℃ 。

20 性能特点：无相变，有晶粒长大倾向，韧性较低，但抗氧化性强，在含硫的气氛中有好的耐蚀性。
用途：不宜做承受冲击负荷的零件，适宜制作各种承受应力不大的炉用构件，如退火炉罩、热交换器、散热器等。 铁素体型抗氧化钢的特性和应用 牌号 特性和应用 2Cr25N 耐高温腐蚀性强，1082℃以下不产生易剥落的氧化皮，用于燃烧室。 0Cr13Al 由于冷却硬化小，作燃气轮机叶片、退火箱、淬火台架。 00Cr12 耐高温氧化，作要求焊接的部件，汽车排气阀净化装置、锅炉燃烧室、喷嘴。 1Cr17 作900℃以下耐氧化部件、散热器、炉用部件、油喷嘴。 热处理：铁素体型抗氧化钢一般在700～850℃退火后使用。

21 铁素体型抗氧化钢的热处理制度及力学性能（摘自GB/T1221-1992）
序号 牌号 热处理/℃ 拉伸试验 硬度试验 σ0.2/ MPa σb/ δ5/ (%) φ/ HBS 不小于 21 2Cr15N 退火780～880快冷 275 510 20 40 ≤201 22 0Cr13Al 退火780～830空冷或缓冷 177 410 60 ≥183 23 00Cr12 退火700～830空冷或缓冷 196 365 24 1Cr17 205 450 50

22 2、奥氏体型抗氧化钢 在奥氏体型不锈钢的基础上进一步经Si，Al抗氧化合金化形成的钢种，使用温度与Cr25型铁素体钢相当，而且比铁素体型抗氧化钢有更好的工艺性和热强性。

23 奥氏体型抗氧化钢的牌号及化学成分（摘自GB/T1221-1992）
序号 牌号 化学成分（质量分数）% C Si Mn P S Ni Cr N 其他 3 2Cr23Ni13 ≤0.20 ≤1.00 ≤2.00 ≤0.035 ≤0.030 12.00～15.00 22.00～24.00 － 4 2Cr25Ni20 ≤0.25 19.00～22.00 24.00～26.00 5 1Cr16Ni35 ≤0.15 ≤1.50 33.00～37.00 11.00～17.00 7 0Cr18Ni9 ≤0.07 8.00～11.00 17.00～19.00 8 0Cr23Ni13 ≤0.08 9 0Cr25Ni20 12 3Cr18Mn12Si2N 0.22～0.30 1.40～2.20 10.50～12.50 ≤0.060 0.22～0.33 13 2Cr20Mn9Ni2Si2N 0.17～0.25 1.80～2.70 8.50～11.00 2.00～3.00 18.00～21.00 0.20～0.30 18 0Cr18Ni13Si4 3.00～5.00 11.50～15.00 15.00～20.00 ① 19 1Cr20Ni14Si2 1.50～2.50 20 1Cr25Ni20Si2 24.00～27.00

24 奥氏体型抗氧化钢的钢种主要有3种类型： （1）Cr-Ni系 低碳Cr-Ni系：0Cr18Ni9， 0Cr23Ni13、0Cr25Ni20，抗氧化性随铬含量的增加而提高。 高碳Cr-Ni系： 2Cr23Ni13、2Cr25Ni20，使用温度与相同铬镍含量的低碳系钢相同，强度较高些。 （2）Cr-Ni-Si系 0Cr18Ni13Si：抗氧化性与0Cr25Ni20相当； 1Cr20Ni14Si2、1Cr25Ni20Si2：有较高的高温强度，适宜制作各种承受应力的各种炉用构件。 （3）Cr-Mn-Si-N系 3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N：以Mn、N部分或完全代替Ni，具有较高的高温强度和一定的抗氧化性，并且具有较好的抗硫及抗增碳性，可用作渗碳炉构件等。 2Cr20Mn9Ni2Si2N还可用于盐浴炉坩埚等。

25 奥氏体性抗氧化钢的特性和应用 牌号 特性和应用 2Cr23Ni13 承受980℃以下反复加热的抗氧化钢。加热炉部件，重油燃烧器。
承受1035℃以下反复加热的抗氧化钢，炉用部件、喷嘴、燃烧室。 1Cr16Ni35 抗渗碳、抗氮化性好的钢种，1035℃以下反复加热。炉用钢材、石油裂解装置。 0Cr18Ni9 通用耐氧化钢，可承受870℃以下反复加热。 0Cr23Ni13 比0Cr18Ni9耐氧化性好，可承受980℃以下反复加热。炉用材料。 0Cr25Ni20 比0Cr23Ni13抗氧化性好，可承受1035℃加热。炉用材料、汽车净化装置用材料。 3Cr18Mn12Si2N 有较高的高温强度和一定的抗氧化性，并且有较好的抗硫及抗增碳性。用于吊挂支架，渗碳炉构件、加热炉传送带、料盒、炉爪。 2Cr20Mn9Ni2N 特性和用途同3Cr18Mn12Si2N，还可用于盐浴坩埚和加热炉管道等。 0Cr18Ni13Si4 具有与0Cr25Ni20相当的抗氧化性，汽车排气净化装置用材料。 1Cr20Ni14Si2 1Cr25Ni20Si2 具有较高的高温强度及抗氧化性，对含硫气氛较敏感，在600~800℃有析出相的脆化倾向，适于制作承受应力的各种炉用构件。

26 热处理：在固溶处理后使用。 奥氏体型抗氧化钢的热处理制度及力学性能（摘自GB/T1221-1992） 序号 牌号 热处理/℃ 拉伸试验
硬度试验 σ0.2/ MPa σb/ δ5/ (%) φ/ HBS 不小于 3 2Cr23Ni13 固溶1030～1150快冷 205 560 45 50 ≤201 4 2Cr25Ni20 固溶1030～1180快冷 590 40 5 1Cr16Ni35 7 0Cr18Ni9 固溶1010～1150快冷 520 60 ≤187 8 0Cr23Ni13 9 0Cr25Ni20 12 3Cr18Mn12Si2N 固溶1100～1150快冷 390 680 35 ≤248 13 2Cr20Mn9Ni2Si2N 635 18 0Cr18Ni13Si4 ≤207 19 1Cr20Ni14Si2 固溶1080～1130快冷 295 20 1Cr25Ni20Si2

27 7.1.3、珠光体型热强钢 珠光体型热强钢：在正火状态下，显微组织由P+F所组成的一类耐热钢。
它的合金元素含量少，工艺性能好，广泛用作在600℃以下工作的动力工业和石油工业的构件。 珠光体热强钢按含碳量的高低可分为两类： （1）低碳珠光体型热强钢：主要用作锅炉管等，工作温度范围 ℃； （2）中碳珠光体型热强钢：主要用作耐热紧固件、汽轮机转子等（包含轴、叶轮）。

28 高压锅炉管用珠光体型热强钢的牌号和化学成分(摘自GB5310-1995)
1、低碳珠光体型热强钢 高压锅炉管用珠光体型热强钢的牌号和化学成分(摘自GB ) 钢号 化学成分（质量分数）% C Mn Si Cr Mo V Ti B W P S 15Mo 0.12～0.20 0.40～0.80 0.17～0.37 － 0.25～0.35 ≤0.030 20Mo 0.15～0.25 0.44～0.65 12CrMo 0.08～0.15 0.40～0.70 0.40～0.55 15CrMo 0.12～0.18 0.80～1.10 12Cr2Mo ≤0.50 2.00～2.50 0.90～1.20 12Cr1MoV 0.15～0.30 12Cr2MoWVTiB 0.45～0.65 0.45～0.75 1.60～2.10 0.50～0.65 0.28～0.42 0.08～0.18 0.002～0.008 0.30～0.55 12Cr3MoVSiTiB 0.09～0.15 0.50～0.80 0.60～0.90 2.50～3.00 1.00～1.20 0.22～0.38 0.005～0.011

29 （1）成分特点及典型钢种： 低碳：0.08%～0.15%；原因： 使钢具有良好的加工性能(轧制、穿管、拉拔、焊接、冷弯)。
使钢基体具有大量F。F的高熔点和组织稳定性有利于耐热，也有利于表面生成Fe2O3的保护膜。 使碳化物相减少，不易产生P球化、石墨化的变化，有利于组织稳定性。 主加合金元素为Cr、Mo：主要作用是固溶强化F，↑热强性和再结晶温度，阻止P球化和石墨化。 辅加合金元素为V、Ti、W：主要作用是形成稳定碳化物，阻止Cr、Mo向碳化物中转移，保持固溶体的强化特性，同时阻止P球化和石墨化。稳定碳化物也有弥散强化作用，可↑热强性。 典型钢种：12CrMo、12Cr1MoV等，使用温度可达580℃。 12Cr2MoWVTiB、12Cr3MoVSiTiB：用微量硼强化晶界，并适当↑硅含量，↑钢的抗氧化性，使用温度可达600～620℃。

30 热处理：正火+高温回火 Cr、Mo、V：能显著↑钢的淬透性，并强烈推迟P转变，使钢在正火后即能得到相当数量的贝氏体组织，使钢的热强性↑，并且工艺简便，容易控制 。 正火温度： AC3+50℃（980℃～1020℃），使碳化物完全溶解并均匀分布； 回火温度：高于使用温度 ℃ （720～740℃），提高使用温度下的组织稳定性。

31 高压锅炉管用珠光体型热强钢的热处理制度(摘自GB5310-1995)
牌号 热处理制度 15Mo 20Mo 910～940℃正火 12CrMo 900～930℃正火,670～720℃回火。保温时间：周期式炉大于2h，连续炉大于1h 15CrMo 930～960℃正火,680～720℃回火。保温时间：周期式炉大于2h，连续炉大于1h 12Cr2Mo 900～960℃正火。700～750℃回火。也可加热至900～960℃，炉冷至700℃保温1h以上，空冷 12Cr1MoV 980～1020℃正火，保温时间按壁厚每毫米1min计，但不少于20min。720～760℃回火，保温时间，周期式炉大于2h，连续炉大于1h，当壁厚大于30mm至40mm应进行强制冷却；当壁厚大于40mm，应进行调质处理，淬火温度950～990℃，回火温度720～760℃，保温时间：周期式炉大于2h 12Cr2MoWVTiB 1000～1035℃正火，保温时间：按壁厚每毫米1.5min计，但不少于20min。760～790℃回火，保温时间：周期式炉大于2h，连续炉大于1h 12Cr3MoVSiTiB 1040～1090℃正火，保温时间：按壁厚每毫米1.5min计，但不少于20min。720～770℃回火，保温时间：周期式炉大于2h，连续炉大于1h

32 （2）中碳珠光体型热强钢 成分及性能特点： 含碳量0.17-0.35%，较锅炉管用钢含碳量高，因而强度更高些，工艺上主要采用热锻成形。
合金化原理：与低碳珠光体型相同。 Cr、Mo、Ni为主要合金元素，固溶强化铁素体； V、Ti、Nb、W等为辅加合金元素，形成稳定碳化物； B强化晶界，以提高热强性。 用途： 高温用紧固件，汽轮机转子等。

33 高温紧固件及汽轮机转子用钢的牌号和化学成分(摘自DL 439-1991、JB/T 7022-95)
钢号 化学成分（质量分数）% C Mn Si Cr Mo V Ti B Ni P S 20CrMo 0.17～0.24 0.40～0.70 0.20～0.40 0.80～1.10 0.15～0.25 － ≤0.040 35CrMo 0.32～0.40 0.17～0.37 ≤0.030 25Cr2MoV 0.22～0.29 1.50～1.80 0.25～0.35 0.15～0.30 25Cr2Mo1V 0.50～0.80 2.10～2.50 0.90～1.10 0.30～0.50 20Cr1Mo1V1 0.18～0.25 0.30～0.60 1.00～1.30 0.70～1.00 ≤0.035 20Cr1Mo1VNbTiB 0.17～0.23 0.40～0.65 0.40～0.60 0.90～1.30 0.75～1.10 0.50～0.70 0.05～0.14 0.005 Nb0.11～0.22 20Cr1Mo1VTiB 0.75～1.00 0.45～0.65 0.16～0.28 20Cr12NiMoWV 0.20～0.25 0.50～1.00 ≤0.50 11.00～12.50 0.90～1.25 0.20～0.30 W0.90～1.25 ≤0.025 34CrMo1 0.30～0.38 0.70～1.20 0.40～0.55 Cu ≤0.20 ≤0.30 ≤0.020 28CrMoNiV 0.25～0.30 0.30～0.80 1.10～1.40 0.80～1.00 Al ≤0. 01 0.50～0.75 ≤0.012 30CrMoNiV 0.28～0. 34 1.00～1.20 Cu≤0.20 30Cr1Mo1V 0.27～0.34 0.20～0.35 1.05～1.35 0.21～0.29 Cu≤0.15 34CrNi3Mo 0.30～0.40 0.50～0.65 0.70～1.10 0.25～0.40 2.75～3.25 ≤0.015 ≤0.018 25CrNiMoV 0.22～0.28 0.25～0.45 0.05～0.15 1.00～1.50 30Cr2Ni4MoV ≤0.35 1.50～2.00 0.07～0.15 ≤0. 015 3.25～3.75

34 紧固件：在高温和压力作用下工作，应能长期保持一定预紧应力，要求钢具有高的松驰稳定性。
在珠光体Cr-Mo-V钢中，回火贝氏体组织具有高的松驰稳定性。 25Cr2Mo1V室温下的屈服极限较高，但持久塑性较低。 而20Cr1Mo1VNbTiB、20Cr1Mo1VTiB持久强度及持久塑性都高，可以使用在570℃左右工作的紧固件上。

35 高温紧固件材料的力学性能（摘自DL439－1991） 牌号 室温力学性能（不小于） HB 高温强度 σ0.2 MPa σb δ5 % ψ
ak J/cm2 试验温度 ℃ σ10-5 σ105 20CrMo 490 637 14 40 69 197～241 470 137 255 35CrMo 686 15 45 59 217～255 450 103 － 25Cr2MoV 588 735 16 50 241～277 500 49 108 25Cr2Mo1V 550 67 162 20Cr1Mo1V1 60 248～277 20Cr1Mo1VNbTiB 834 241～285 189 214～294 20Cr1Mo1VTiB 784 255～293 570 172～212 20Cr12NiMoWV 760 930 32 277～331 ≥95 95～170

36 由主轴和叶轮组成的汽轮机转子，或整锻转子，承受的是巨大的复杂应力，要求：
高的沿轴向、径向均匀一致的综合机械性能； 高的热强性和持久塑性； 良好的淬透性和工艺性能。 因而含碳量较紧固件高。

37 汽轮机转子材料的力学性能（摘自JB/T 7022－93）
钢种 尺寸范围 mm 取样部位 σ0.2 MPa σb δ5 [δ4] % ψ AKV [AKU] J FATT50 34CrMo1 ≤250 纵向 600～750 ≥720 ≥15 ≥40 ≥47 ≤40 ≤500 570～720 ≥680 ≥11 ≥32 ≥39 28CrMoNiV ≤900 切向、纵向 550～700 700～850 ≥24 ≤85 30CrMoNiV 30Cr1Mo1V ≤1200 590～690 ≥8 ≤116 心部纵向 550 ≥690 ≥7 34CrNi3Mo ≥820 ≥14 ≤20 切向 670～820 ≥780 25CrNiMoV ≤1000 ≥500 ≥650 4≥80 ≥620 30Cr2Ni4MoV ≥760 860～970 ≥16 ≥45 ≥41 ≤13 ≥725 ≥825 ≥34

38 热处理特点 25Cr2Mo1V：二次正火+回火；第一次正火温度较高（ ℃），使碳化物溶解较完全，以提高抗松弛能力，第二次正火温度较低（950～970℃），使晶粒度细些，以改善缺口敏感性。 热处理后的组织：F+P+B。 其松弛稳定性较淬火+回火后高，是因为正火获得了部分贝氏体组织。 35CrMoV、34CrNi3Mo：淬火+高温回火； 热处理后的组织：回火S。

39 紧固件及汽轮机转子的热处理工艺 钢种 热处理工艺 20CrMo 880～900℃水或油冷，580～600℃回火 35CrMo
850～870℃油或水冷，540～620℃回火 25Cr2MoV 920～940℃油冷，640～690℃回火 25Cr2Mo1V (1) 1030～1050℃空冷，950～970℃空冷，680℃回火6h后空冷 (2) 950～980℃空冷，680℃6h回火 20Cr1Mo1V1 1000℃淬火，700℃回火 20Cr1Mo1VNbTiB 1020～1040℃油冷，700～720℃回火6h后空冷 20Cr1Mo1VTiB 1030～1050℃油冷，700℃回火6h 20Cr12NiMoWV 980℃油冷，680℃回火 34CrMo1 28CrMoNiV 30CrMoNiV 30Cr1Mo1V 34CrNi3Mo 25CrNiMoV 30Cr2Ni4MoV

40 7.1.4、马氏体型热强钢 马氏体型热强钢的牌号与成分。 马氏体型热强钢的特性和应用。 马氏体型热强钢主要有两类：
Cr12型钢：主要用作汽轮机叶片用钢； 铬硅型钢：主要用作排气阀钢。

41 马氏体型热强钢的牌号和化学成分（摘自GB/T1221-1992）
序号 牌号 化学成分（质量分数）% C Si Mn Ni Cr Mo V N 其他 25 1Cr5Mo ≤0.15 ≤0.50 ≤0.60 4.00～6.00 0.45～0.60 － 26 4Cr9Si2 0.35～0.50 2.00～3.00 ≤0.70 8.00～10.00 27 4Cr10Si2Mo 0.35～0.45 1.90～2.60 9.00～10.50 0.70～0.90 28 8Cr20Si2Ni 0.75～0.85 1.75～2.25 0.20～0.60 1.15～1.65 19.00～20.50 29 1Cr11MoV 0.11～0.18 10.00～11.50 0.50～0.70 0.25～0.40 30 1Cr12Mo 0.10～0.15 0.30～0.50 11.50～13.00 0.30～0.60 31 2Cr12MoVNbN 0.15～0.20 0.50～1.00 10.00～13.00 0.30～0.90 0.10～0.40 0.05～0.10 Nb0.20～0.60 32 1Cr12WMoV 0.12～0.18 0.50～0.90 0.40～0.80 11.00～13.00 0.18～0.30 W0.70～1.10 33 2Cr12NiMoWV 0.20～0.25 0.75～1.25 0.20～0.40 W0.70～1.25 34 1Cr13 ≤1.00 11.50～13.50 35 1Cr13Mo 0.08～0.18 11.50～14.00 36 2Cr13 0.16～0.25 12.00～14.00 37 1Cr17Ni2 0.11～0.17 ≤0.80 1.50～2.50 16.00～18.00 38 1Cr11Ni2W2MoV 0.10～0.16 1.40～1.80 10.50～12.00 W1.50～2.00

42 马氏体型热强钢的特性和应用 牌号 特性和应用 1Cr5Mo
能抗石油裂化过程中产生的腐蚀。作再热蒸气管、石油裂解管、锅炉低吊架、汽轮机气缸衬套、泵的零件、阀、活塞杆、高压加氢设备部件、紧固件。 4Cr9Si2 有较高的热强性，作内燃机进气阀、轻负荷发动机的排气阀。 4Cr10Si2Mo 8Cr20Si2Ni 作耐磨性为主的吸气、排气阀、阀座。 1Cr11MoV 有较高的热强性，良好的减振性及组织稳定性，用于蜗轮机叶片及导向叶片。 1Cr12Mo 作汽轮机叶片。 2Cr12MoVNbN 作汽轮机叶片、盘、叶轮轴、螺栓。 1Cr12WMoV 有较高的热强性、良好的减振性及组织稳定性。用于蜗轮机叶片、紧固件、转子及轮盘。 2Cr12NiMoWV 作高温结构部件，汽轮机叶片、叶轮、螺栓。 1Cr13 作800℃以下耐氧化用部件。 1Cr13Mo 作汽轮机叶片、高温、高压蒸气用机械部件。 2Cr13 淬火状态下硬度高，耐蚀性良好，汽轮机叶片。 1Cr17Ni2 作具有较高程度的耐硝酸及有机酸腐蚀的零件、容器和设备。 1Cr11Ni2W2MoV 具有良好韧性和抗氧化性能，在淡水和湿空气中有较好的耐蚀性。

43 1、叶片用钢 （1）成分特点及典型钢种 Cr12型叶片用钢：在Cr13型不锈钢基础上进一步合金化，↑了热强性的钢种。 成分特点：
主加合金元素Cr、Mo：Cr、Mo主要溶入固溶体中，以↑固溶强化效果来提高热强性。 加入V、W、Nb：优先与碳形成碳化物，有利于Cr、Mo溶入固溶体，同时有析出强化效应，进一步↑热强性和使用温度。 典型钢种：1Cr11MoV，1Cr12WMoV等。

44 （2）叶片热处理 工作温度：450～620℃； 使用状态：调质态下使用。 回火温度：需高于工作温度。 例如：1Cr11MoV
淬火温度：1050℃～1100℃； 这类钢的淬透性很强，淬火空冷可得马氏体。 回火温度：720～740℃。 回火组织：回火T+回火S。

45 2、气阀钢 内燃机进气阀的工作温度：300～400℃，受力和抗腐蚀要求不高，一般采用40Cr等即可。
而排气阀阀端处在燃烧室中，工作温度600～800℃，最高850℃，且要求抗燃气中的PbO、V2O5、Na2O、SO2等的腐蚀。阀门的高速运动和频繁的起动，还使阀门受到机械疲劳和热疲劳，阀门对冲刷的燃气和阀门座的相对运动，还使阀门受冲刷腐蚀磨损以及摩擦磨损。 阀门钢的性能要求： 高的热强性、硬度、韧性； 高温下的抗氧化性、耐腐蚀性； 高温下的组织稳定性和良好的工艺性等。

46 （1）成分特点及典型钢种 （2）热处理 中碳：含碳量0.40%左右，以↑综合力学性能和耐磨性；
Cr、Si复合合金化：以↑抗氧化、抗热疲劳及回火稳定性； 加入Mo：以减轻回火脆性，↑热强性。 典型钢种：4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。 （2）热处理 淬火+高温回火 4Cr9Si2： ℃油淬，组织：M+K；700～780℃回火，油冷，组织：回火S+K，用于工作温度<700℃的排气阀。 4Cr10Si2Mo： ℃油淬，组织：M+K；720～760℃回火，空冷，组织：回火S+K，用于工作温度<750℃的排气阀。 工作温度>750℃的排气阀，则要采 用奥氏体型热强钢。

47 7.1.5、奥氏体型热强钢 工作温度：600～800℃，>P型及M型热强钢。
主要原因：γ- Fe的原子结合力较α- Fe大，合金元素在γ- Fe中的扩散系数小，γ- Fe的再结晶温度约800℃，也高于α- Fe 450℃～600℃的再结晶温度。 特性：A型钢的塑、韧性好，焊接性及冷加工等工艺性能也好于P型及M型热强钢。 虽然A型钢的切削加工性较差，但由于热强性的优点，A型钢仍得到充分的发展和广泛的应用。 分类：根据热强钢合金化原理，奥氏体热强钢有固溶强化型、碳化物强化型、金属间化合物强化型 。

48 1、固溶强化型 （1）成分特点及典型钢种 （2）热处理 （3）用途 基本成分：18-8奥氏体不锈钢基体成分；
加Mo、Nb、Ti：↑固溶体的原子间结合力，强化固溶体。Nb、Ti可形成部分NbC、TiC，强化晶界。 Mo、Nb、Ti等是铁素体形成元素，需↑Ni含量，以保持A基体。 典型钢种：0Cr18Ni11Nb等。 （2）热处理 因是固溶强化型，这类钢一般经固溶处理后使用。 （3）用途 喷气发动机排气管或燃烧室中的构件等。

49 2、碳化物强化型 （1）成分特点及典型钢种 成分特点：高Cr、Ni配合，形成奥氏体基体，配以较高的含碳量，含碳量可高达0.50%，同时加入W、Mo以形成碳化物强化相。Mn、N代替Ni获得A，即可节约Ni，也可进一步↑强度。 典型钢种：4Cr14Ni14W2Mo、5Cr21Mn9Ni4N等。 （2）热处理 1150℃～1200℃固溶处理后，得到A， 650℃～750℃时效处理，析出细小K，以获得沉淀强化效果。 工作温度：低于时效温度30～50 ℃下工作。

50 3、金属间化合物强化型（铁基高温合金） （1）成分特点及典型钢种 含碳量很低，低于0.08%，所以又称为铁基高温合金；
Ni含量高，约25%，以形成A，还有一部分形成金属间化合物； 含Al、Ti，与Ni形成金属间化合物强化相γ‘-Ni3(Al、Ti)； Mo能溶于奥氏体，产生固溶强化效应； V和B能强化晶界，B还可使晶界的网状沉淀相变为断续沉淀相，提高合金的持久塑性。 典型钢种：0Cr15Ni25Ti2MoAlVB等。 GH132： 0Cr15Ni26MoTi2AlVB

51 （2）热处理 固溶+时效处理后使用，而且时效时间很长，要16小时。 组织：γ‘-Ni3(Al、Ti)以极细小颗粒状分布于A基体上。
0Cr15Ni25Ti2MoAlVB经热处理后抗拉强度可达900MPa。 A型热强钢使用温度：只能达到750～800℃，对于更高温度下使用的构件，则需采用Ni基高温合金等材料。

52 奥氏体热强钢的牌号和化学成分（摘自GB/T1221-1992）
类型 序号 牌号 化学成分（质量分数）% C Si Mn P S Ni Cr Mo V N 其他 固溶强化 10 0Cr17Ni12Mo2 ≤0.08 ≤1.00 ≤2.00 ≤0.035 ≤0.030 10.00～14.00 16.00～18.00 2.00～3.00 － 14 0Cr19Ni13Mo3 11.00～15.00 18.00～20.00 3.00～4.00 15 1Cr18Ni9Ti ≤0.12 8.00～11.00 17.00～19.00 Ti5×(C%- 0.02) -0.08 16 0Cr18Ni10Ti 9.00～12.00 Ti≥5×C% 17 0Cr18Ni11Nb 9.00～13.00 Nb≥10×C% 碳化物强化 1 5Cr21Mn9Ni4N 0.48～0.58 ≤0.35 8.00～10.00 ≤0.040 3.25～4.50 20.00～22.00 0.35～0.50 2 2Cr21Ni12N 0.15～0.28 0.75～1.25 1.00～1.60 10.50～12.50 0.15～0.30 11 4Cr14Ni14W2Mo 0.40～0.50 ≤0.80 ≤0.70 13.00～15.00 0.25～0.40 W2.00～2.75 金属间化合物强化 6 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB 24.00～27.00 13.50～16.00 1.00～1.50 0.10～0.50－ Ti1.90～2.35 Al＜0.35 B0.001～0.010

53 以要求高温强度为主的汽油及柴油机用排气阀。 2Cr21Ni12N 以抗氧化为主的汽油及柴油机用排气阀。
奥氏体型热强钢的特性和应用 牌号 特性和应用 5Cr21Mn9Ni4N 以要求高温强度为主的汽油及柴油机用排气阀。 2Cr21Ni12N 以抗氧化为主的汽油及柴油机用排气阀。 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB 到700℃高温的汽轮机转子，螺栓叶片、轴。 0Cr17Ni12Mo2 高温具有优良的蠕变强度，作热交换用部件，高温腐蚀螺栓。 4Cr14Ni14W2Mo 有较高的热强性，用于内燃机重负荷排气阀。 0Cr19Ni13Mo3 高温具有良好的蠕变强度，作热交换用部件。 1Cr18Ni9Ti 有良好的耐热性及抗腐蚀性，作加热炉管、燃烧室筒体、退火炉罩。 0Cr18Ni10Ti 作为400~900℃腐蚀条件下使用的部件，高温用焊接结构部件。 0Cr18Ni11Nb

54 奥氏体型热强钢的热处理制度及力学性能(摘自GB/T1221-1992)
序号 牌号 热处理/℃ 拉伸试验 硬度试验 σ0.2/ MPa σb/ δ5/ (%) φ/ HBS 不小于 1 5Cr21Mn9Ni4N 固溶1100～1200快冷，时效730～780空冷 560 885 8 － ≥302 2 2Cr21Ni12N 固溶1050～1150快冷，时效750～880空冷 430 820 26 20 ≤269 6 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB 固溶885～915或965～995快冷，时效700～760，16h空冷或缓冷 590 900 15 18 ≥248 10 0Cr17Ni12Mo2 固溶1010～1150快冷 205 520 40 60 ≤187 11 4Cr14Ni14W2Mo 退火820～850快冷 315 705 35 ≤248 14 0Cr19Ni13Mo3 540 1Cr18Ni9Ti 固溶920～1150快冷 50 16 0Cr18Ni9Ti 17 0Cr18Ni11Nb 固溶980～1150快冷

55 7.2 镍基高温合金 Fe基高温合金的使用温度： 750～800℃； 形变Ni基高温合金的使用温度： 950℃；
7.2 镍基高温合金 Fe基高温合金的使用温度： 750～800℃； 形变Ni基高温合金的使用温度： 950℃； 铸造Ni基高温合金的使用温度： 1050℃。 σ100 =200MPa： GH132可到750 ℃， GH49可到950℃ 800℃下： GH132有σ100 =100MPa GH49有σ100 =380MPa 典型镍基、铁基耐热合金的持久强度

56 7.2.1 纯镍 晶体结构：面心立方，无同素异构转变。 熔点：1455℃； 密度：8.902g/cm3。
纯镍 晶体结构：面心立方，无同素异构转变。 熔点：1455℃； 密度：8.902g/cm3。 力学性能： σb =317MPa， σ0.2=59MPa，δ=30%，HBS=60～80。 一般特性：优良的抗腐蚀性能，良好的电真空性能，具有铁磁性。 耐热性能：金属键强，蠕变起始温度高，常温下，氧化膜致密，有保护性；800℃下不会发生强烈氧化。 用途：高温合金、耐蚀合金、高电阻合金、电真空合金等。

57 7.2.2 镍基高温合金的成分及合金化 成分：Ni80Cr20基础上，加W、Mo、Ti、Al、Nb、Co、Ta等。
镍基高温合金的成分及合金化 成分：Ni80Cr20基础上，加W、Mo、Ti、Al、Nb、Co、Ta等。 合金化原理：与Fe基高温合金相同。 Mo、 W、 Cr、Co：固溶强化基体； Cr：↑抗氧化性。 Ti、Al、Nb、 Ta：形成金属间化合物 γ ’ -Ni3(Al、Ti)等。 B、Zr、Ce：强化晶界。

58

59 组织：Ni的γ相基体+ γ’-Ni3(Al、Ti)强化相。

60 热处理 固溶+时效 GH33： 一次固溶，M7C3来不及析出，时效时在晶界大量析出，呈网状，使合金变脆。
二次固溶：1200～1250℃保温2h(碳化物全部溶解)，再炉冷到碳化物溶解温度限(1150℃)以下1000℃保温16h，700℃时效16h，碳化物在晶界呈断续链状，能阻碍晶界的滑动，↑持久寿命和塑性。

61 耐火钢 耐热钢： 高温长时间工作。 高合金钢、价贵、用量少。 耐火钢： 高温短时间工作。 低合金钢、价廉、用量大。
耐火钢、普通钢的强度和温度的关系

62 耐火钢的具体技术要求如下： (1)良好的高温强度：(600℃) σs≥ (2/3)σs (室温)； (2)满足普通建筑用钢的标准要求，室温力学性能等同或优于普通建筑用钢； (3)高的抗震性能，屈强比YR(σs/σb) ≤ 0.80； (4)良好的焊接性能。

63 耐火钢的概念是80年代末由日本提出的，日本研究者通过在钢中添加微量的Cr、Mo、Nb等合金元素开发出了耐火温度为600℃的建筑用耐火钢，该钢在600℃时的高温屈服强度保持在室温值的2/3以上。
新日铁钢铁公司还在耐火钢材的基础上，采取添加Cu、Ni元素的方法，研制兼有耐火性能和耐候性能的钢材。 欧洲的Creusot-Loire钢厂完成了能保障900～1000℃高温性能的含Mo耐火钢的研究，但由于成本过高而未能推广应用。 目前，日本耐火钢已能批量生产，有资料报道新日铁自1989年至今已生产耐火钢20万吨，其中包括耐火H型钢、板材、带钢、钢管等产品，目前年产量是4万吨左右。

64 鞍钢开发的耐火钢实际成分及性能 C Si Mn P S Cr Mo Nb V Ceq 0.095 0.30 0.78 0.008 0.004
1 0.095 0.30 0.78 0.008 0.004 0.058 0.40 \ 0.32 2 0.06 0.25 0.48 0.005 0.003 0.38 0.24 0.033 0.26 3 0.08 0.22 0.86 0.01 0.47 0.022 0.02 4 0.052 0.15 0.82 0.015 0.51 0.035 0.36 5 0.045 0.93 0.021 0.011 0.53 0.34 6 0.066 1.05 0.007 0.49 0.43 σs Mpa σb Mpa σs/σb δ5(%) σb (600℃)Mpa 20℃ Akv (J) 状态 270 390 0.6923 34 176 82,86 热轧 325 415 0.7831 39 173 100,106 430 550 26 260 270,,262 24-26 100,107 热轧+控冷 26-31 34,53 12-33 255 82,88

65 （1）建筑用耐火钢应当在保证600℃的高温强度的同时也要考虑焊接性和工艺成本；
（2）Ti形成高温下稳定的氮化物，可以抑制奥氏体晶粒的长大，由于形成TiN而消除了钢中的自由氮，对钢的韧性是有益的；V几乎在奥氏体中不形成析出物，在/转变过程中或之后大量析出物产生析出强化，改善钢的强韧性能； （3）Mo和Cr是有效提高耐火钢的高温强度的元素，而 Nb和 Mo组合效果更明显； （4）Nb是最有效的细化晶粒微合金化元素，它可以在热轧时的奥氏体变形过程中推迟再结晶而产生晶粒细化； （5）低碳贝氏体相可提供良好的综合机械性能； （6）控制轧制工艺是一项节约合金、简化工序、节约能源消耗的先进轧钢技术，作为一种有效的形变热处理手段可以使耐火钢的综合性能大大提高。

66 7.3 低温用结构材料 低温用钢 目前由于能源结构的变化，液化天然气、液化石油气、液氧（-183℃）、液氢（-252.8℃）、液氮（-195.8℃）和液体二氧化碳（-78.5℃）等液化气体被普遍使用，生产、贮存、运输和使用这些液化气的装备和容器都需要在低温下工作。 另外，寒冷地区的工程装备及其构件常常使用在低温环境中。 低温材料：用于0℃以下的材料。 低温金属材料普遍使用低合金钢、镍钢和铬镍奥氏体钢，还有使用钛合金、铝合金等有色金属。

67 低温用钢的失效方式：主要为脆断，引起断裂的应力<σs，而且速度极快。
力学性能要求：低温韧性，屈强比（σs/σb的值越接近1，低温脆性越大）。 影响低温韧性的主要因素： ①晶体结构： BCC的F低温韧性差，HCP次之，FCC的A低温韧性最好。 ②化学成分： 钢中碳含量↑，使低温韧性↓；锰含量↑可↓韧脆转变温度；镍是降低钢在低温下变脆的最有效的合金元素，镍含量每↑1%，韧脆转变温度约↓10℃。硅、铝、钒、钛、铌等元素也有↓韧脆转变温度的作用。 ③晶粒尺寸： 细晶粒不但使钢有较高的断裂强度，而且使韧脆转变温度降低。 ④热处理与显微组织： 当钢的化学成分相同时，钢分别经调质处理、正火处理、退火处理后的低温韧性依次变差。当钢中的析出相弥散分布，且尺寸很小时，可能使基体塑性提高，低温脆性变小。

68 工作温度在-20℃～-269℃之间的低温用钢大致可分为以下几类。
（1）低合金低温用钢 这类钢以锰作为主加元素，用以改善钢的低温韧性，常用的钢种有16MnDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR（GB 《低温压力容器用低合金钢板》等。 在-40℃低温下使用的钢板16MnDR中，磷的含量P≤0.0030%，S的含量S≤0.0250%，比Q345钢低，所以低温冲击韧性较Q345优良。 09Mn2VDR钢由于含有V，得到的组织是细小的铁素体和少量珠光体，塑性好，与低碳钢的加工工艺性相近，在-70℃低温下使用的09Mn2VDR钢板及09Mn2VDR钢管和锻钢有良好的低温韧性。

69 （2）镍钢 低温用镍钢中镍的含量通常有三种：2.25%、3.5%、9.0%。
2.25%镍钢：是在-60℃时使用的最经济的钢种，其正火组织是珠光体+铁素体组织，与同样碳含量的低碳钢相比，珠光体的量增多，晶粒变细，因而低温韧性优于低碳钢。 3.5%镍钢：是在-100℃时使用的标准钢种。这种钢常用作低温热交换器的钢管。它正火时的加热温度是870℃，正火后在低于640℃的温度下进行回火，以消除内应力，改善低温韧性。 9.0%镍钢：可在-200℃的低温使用。由于其共析转变温度降低（约为550℃），正火后的回火过程中会出现奥氏体，而碳化物易于溶进奥氏体，使奥氏体含碳量增加，致使马氏体转变温度Ms和Mf更低。所以这种奥氏体在低温时极为稳定而不易发生相变，钢的低温韧性显著提高。

70 （3）高锰奥氏体钢 在高锰钢的基础上降低碳含量，增加锰含量，再加入形成和强化奥氏体的元素而形成的钢种。目前常用的有20Mn23Al和15Mn26Al4，可分别在-196℃和-253℃下使用。这两种钢都是单相的Fe-Mn-Al奥氏体钢，不仅在低温下具有良好的塑性和韧性，而且加工工艺性比较好。 （4）铬镍奥氏体不锈钢 在-200℃使用的低温用钢，常用0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti。 奥氏体不锈钢在低温下长期使用，会发生奥氏体向马氏体的转变，但有资料表明，即使发生大量相变，钢的塑性和韧性仍较好。 奥氏体不锈钢在液氢温度下能阻止应力集中部位的破裂，因此在深冷条件下被广泛采用。

71 7.3.2 低温用钛合金 钛合金的强度随温度降低而提高，同时又能保持满意的塑性，并且钛合金在低温下的缺口敏感性小，能保持高韧性，使钛合金可用作低温和超低温工作的结构材料。此外，钛合金的导热性低，膨胀系数小，适宜制造火箭、导弹的燃料储箱和管道结构件。 但不能用钛合金制造盛氧的容器，因为钛与液氧、高压气态氧接触时，可能发生激烈的反应，引起燃烧和爆炸。 用作低温构件的钛合金中氧、氮、碳等间隙元素含量要力求愈低愈好。 低氧的TA7、TC4可作专用的低温钛合金。 TA7（低氧）：使用温度可达-253℃，用于制作宇宙飞船中的液氢容器等。 TC4（低氧）：使用温度低至-196℃，可用于制作低温高压容器，如导弹储氦气的球状高压容器。