锅炉用材料

第15章 锅炉及压力容器常用钢材

15.1. 锅炉及压力容器对钢材性能的要求

按工作条件分为两大类：

一、用以制造室温及中温承压元件的钢板与钢管

具有特点：

1有较高的室温强度

通常以屈服极限σs 和强度极限σb 为设计依据，要求有较大的σs 和σb 良好的韧性性能

材料需具有足够的韧性防止脆性断裂，在考虑强度的同时也不能忽略韧性，

(1)材料的韧性通常用冲击韧性值

压力容器用钢的冲击韧性要求

冲击韧性值

αk 表示。 αk （N ·m/cm2）

(2)还需要考虑时效韧性

时效就是钢材经冷加工变形后，在室温或较高温度下，冲击韧性随时间变化。通常在200-300℃，冲击韧性值显著降低。一般要求下降率不超过50%。

由于容器断裂过程包括在缺陷处形成裂纹和裂纹扩散两个阶段，相应两种防止断裂方法

（1）选用具有足够韧性的钢材以防止裂纹产生，要求如上表所示

（2）选用韧性更高的材料，以求在裂纹产生后能够阻止裂纹扩展。（要求温度比无塑性转变温度

NPT 高一定数值，例如元件的设计应力为屈服极限

3较低的缺口敏感性

制造过程中，开孔和焊接会产生局部应力集中，要求材料有较低的缺口敏感性，以防止产生裂纹

4良好的加工工艺性能和焊接性能

由于焊接热循环作用，会

（1）降低热影响区材料的韧性、塑性

（2）在焊缝内产生各种缺陷

其中（1）、（2） 均会产生裂纹

在选材料时需考虑

（1）材料中碳的当量值（保证材料具有较好的可焊性）

（2）适当的焊接材料和焊接工艺

（3）材料具有良好的塑性（碳钢和碳锰钢

（4）良好的低倍组织

（5）钢材的分层、非金属夹杂物、气孔、疏松等缺陷尽可能减少（防止裂纹的产生）

二、用以制造高温承压元件的钢管

1具有足够的蠕变强度、持久强度和持久塑性

通常以持久强度为设计依据，保证在蠕变的条件下安全运行 σs 一半时，要高17℃ δs 不低于16%，合金钢δs 不低于14%）

2具有良好的高温组织稳定性

长期高温下不发生组织变化

3具有良好的的高温抗氧化性

要求材料在高温条件下的氧化腐蚀速度小于0.1mm/a

4具有良好的加工工艺性

要求冷加工性（冷态弯曲）和焊接性

15.2. 锅炉与压力容器用钢的分类

一、工作温度低于500℃的钢材

碳素钢和低合金结构钢

1 铁素体-珠光体结构钢

屈服强度σs 为300-450MPa

16Mn ，15MnV ，15MnVN 加入合金元素，固溶强化，结晶强化作用

2低碳贝氏体类型钢

屈服强度为500-700Mpa σs

14CrMnMoVB 延缓奥氏体分解，得到贝氏体，增加强度

3马氏体型调质高碳钢

屈服强度为600Mpa 以上

18MnMoNb 和14MnMoNbB 正火加回火，有良好的低温韧性

二、工作温度高于500℃的钢材

低合金热强钢和奥氏体不锈钢

1低合金珠光体热强钢

15CrMo 和12Cr1MoV ，结晶强化，沉淀强化

2低合金贝氏体热强钢

12Cr2MoWVTiB 和12Cr3MoVSiTiB ，特点：合金数量多而量少，高温强度高，抗氧化性强 3奥氏体不锈钢

18-8型铬镍奥氏体不锈钢：1Cr18Ni9Ti 和0Cr18Ni9Ti ，高温强度高，抗氧化性强，且具有很高的韧性和较好的加工工艺性

15.3. 碳素钢

一、碳素钢中主要成分对性能的影响

1碳的影响

碳增加，强度增大，塑性减少，可焊性变差，时效敏感性降低

2锰的影响

脱氧（FeO ）脱硫，改善热加工性能

3硅的影响

脱氧

4硫的影响

热脆性

5磷的影响

冷脆性

6氧的影响

降低强度、塑性

7氮的影响

提高强度、硬度，降低塑性

8氢的影响

氢脆

二、碳钢的分类

化学成分：高（含碳量在于0.65%）、中（含碳量0.25-0.65%）、低碳钢（含碳量小于0.25%） 用途：普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和碳素工具钢

1普通碳素结构钢

甲类钢：按机械性能供应（A ），钢板，角钢等

2优质碳素结构钢

按机械性能和化学成分供应

含碳量低：钢板、容器、螺钉、螺母

含碳量中：齿轮、轴

含碳量高：弹簧、钢丝绳

3碳素工具钢（T ）

高硬度和耐磨性，制造刀具、量具、模具

三、锅炉与压力容器常用碳素钢

承压元件主要使用低碳钢，因为塑性、韧性、加工工艺性和可焊性好

（1）优质碳素结构钢

10号和20号无缝钢管

20号钢含碳量比10号钢多一倍，强度高，屈服极限

采用20号钢

（2）专用碳素钢

A3g A3R 15g 20g，冲击韧性好，金属表面和内部缺陷少

15.4. 普通低合金结构钢

低合金钢是在碳素钢的基础上加入少量Si,Mn,Cu,Ti,V ,Nb,P 等合金元素构成的，它的含碳量较低，多数小于0.2%。其组织多数仍为F+P。由于少量合金元素的加入可以大大提高钢材的强度，并改善了钢材的耐腐蚀性能和低温性能。

低合金钢可轧制成各种钢材，如板材，管材，棒材和型材等。它广泛用于制造远洋轮船、大跨度桥梁，高压锅炉，大型容器，汽车，矿山机械及农业机械等。

大型化工容器材料采用16MnR ，生量比碳钢可减轻1/3。用15MnV 制造球形贮罐，与碳钢相比节省45%。

焊接

15.5. 低合金热强钢

在原油加热，裂解，催化设备中，常用到许多能耐高温的钢材。如裂解炉管，要求承受650～800℃高温。

20号钢在540℃下于氧化性气体中，因氧化强度只有50MPa 。因为石墨化。

常用的抗氧化钢

——Cr13SiAl,Cr25Ti,Cr17Ti,Cr25Ni2

热强钢

——12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20 σs 和强度极限σb 高20%，时效敏感性低，多

15.6. 不锈耐酸钢

是不锈钢（耐大气）和耐酸钢（不锈）的总称，

铬不锈钢——1Cr13多用作化工机器中受力大的耐蚀零件，如轴，活塞杆，阀件，螺栓，浮阀等 0Cr13,Cr17Ti F组织，有良好塑性

铬镍不锈钢——1Cr18Ni9 18-8不锈钢

有较高的抗拉强度，较低屈服点，极好的塑性和韧性，焊接性能和冷弯成型性能好，用来制造贮罐，塔器，反应釜，应用最广。

15.7. 低温用钢

深冷分离，空分，液化气贮罐低温使用。

低温钢平均含碳量0.08～0.18%，单相F 组织，加入适量的Mn,Al,Ti,Nb,Cu,V ,N 等元素改善钢的综合机械性能。

常用低温用钢

1) 低合金低温用钢

16MnDR -40℃ 机械性能优于一般低碳钢

2) 镍钢

2.25% -60℃

3.5% -100℃

9% -200℃

3) 高锰奥氏体钢

15Mn25Al4其中Mn 是形成A 的基本元素，Al 作为稳定A 的元素。

4) 铬镍奥氏体不锈钢

18-8奥氏体不锈钢

国外低温设备用钢，以高铬镍为主，其次用镍钢，铜，铝。

第18章 耐热钢及高温合金

各种动力机械，加热电站中的锅炉和蒸汽轮机、航空和舰艇用的燃汽轮机以及原子反应堆工程等结构中的许多结构件是在高温状态下工作的。工作温度的升高 ，一方面影响钢的化学稳定性；另一方面降低钢的强度。为此，要求钢在高温下应具有

(1)抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化能力

(2)在一定介质中耐腐蚀的能力以及足够的韧性

(3)具有良好的加工性能及焊接检

(4)按照不同用途有合理的组织稳定性。

耐热钢是指在高温下工作并具有一定强度和抗氧化耐腐蚀能力的钢种，耐热钢包括热稳定钢和热强钢。热稳定钢是指在高温下抗氧化或执高温介质腐蚀而不破坏的钢种 ，如炉底板、炉栅等。它们工作时的主要失效形式是高温氧化。而单位面积上承受的载荷并不大。热强钢是指在高温下

有一定抗氧化能力并具有足够强度而不产生大量变形或

断裂的钢种，如高温螺栓、涡轮叶片等。它们工作时要求承受较大的载荷，失效的主要原因是高温下强度不够。

18.1钢的热稳定性和热稳定钢

一、钢的抗氧化性能及其提高途径

工件与高温空气、蒸汽或燃气相接肽表面要发生高温氧化或腐蚀破坏。因此，要求工件必须具备较好的热稳定性。

除了加入合金元素方法外，目前还采用渗金属的方法，如渗Cr 、渗Al 或渗Si ，以提高钢的抗氧化性能。

二、热稳定钢

热稳定钢（又称抗氧化钢广泛用于工业锅炉中的构件，如炉底板、马弗罐、辐射管等这种用途的热稳定钢有铁素体F 型热稳定钢和奥氏 体A 型热稳定的钢两类。

F型热稳定钢是在F 不锈钢的基础上进行抗氧化合金化而形成的钢种、具有单相F 基体，表面容易获得连续的保护性氧化膜。根据使用温度 ，可分为Cr13型钢、Cr18型钢和 Cr25型钢等。F 型热稳定钢和F 不锈钢一样，因为没有相变，所以晶粒较粗大，韧性较低，但抗氧化性很强。 A型热稳定钢是在A 型不锈钢的基础上进一步经Si 、Al 抗氧化合金化而形成的钢种。A 型热稳定钢比F 型热稳定钢具有更好的工艺性能和热强性。但这类钢因消耗大量的Cr 、Ni 资源，故从50年代起研究了Fe-Al －Mn 系和Cr －Mn-N 系热稳定钢 ，并已取得了一定进展。

18.2 金属的热强性

一、高温下金属材料力学性能特点

在室温下，钢的力学性能与加载时间无关，但在高温下钢的强度及变形量不但与时间有关，而且与温度有关，这就是耐热钢所谓的热强性。热强性系指耐热钢在高温和载荷共同作用下抵抗塑

性变形和破坏的能力。由此可见在评定高温条件下材料的力学性能时，必须用热强性来评定。热强性包括材料高温条件下的瞬时性能和长时性能。

瞬时性能是指在高温条件下进行常现力学性能试验所测得的性能指标。如高温拉伸、高温冲击和高温硬度等。其特点是高温、短时加载 ，一般说来瞬时性能P 是钢热强性的一个侧面，所测得的性能指标一般不作设计指标，而是作为选择高温材料的一个参考指标。

长时性能是指材料在高温及载荷共同长时间作用下所测得的性能、常见的性能指标有：蠕变极限、持久强度、应力松他高温疲劳强度和冷热疲劳等（详见金属力学性能地这是评定高温材料必须建立的性能指标。

二、热泪性的影响因表及其提高途径

1. 影响耐热钢热强性的因素

随着温度的升高，耐热钢抵抗塑性变形和断裂的能力不断降低，这主要是由以下两个因素造成的：

（1）影响耐热钢的软化因素。随着温度的升高、钢的原子问结合力降低原子扩散系数增大，从而导致钢的组织由亚稳态向稳定态过渡、如第二相的聚集长大、多相合金中成分的变化、亚结构祖化及发生再结晶等这些因素都导致钢的软化。

（2）形变断裂方式的变化。金属材料在低温下形变时一般都以滑移方式进行，但随着温度的升高，载荷作用时间加长，这时不仅有滑移，而且还有扩散形变及品界的滑动与迁移等方式。扩散形变是在金属发生变形但看不到滑移线的情况下提出的。这种变形机制是高温时金属内原子热运动加剧 ，致使原子发生移动，但在元外力作用了原子的移动无方向性，故宏观上不发生变形；当有外力作用时，原子移动极易发生且有方向性，因而促进变形。当温度升高时，在外力作用下晶界也会发生滑动和迁移 ，温度越高，载荷作用的时间愈长，晶界的滑动和迁移就越明显。 常温下金属的断裂在正常情况下均属穿品断裂，这是由于晶界区域晶格畸变程度大、晶内强度

低于晶界强度所致。但随温区升高 ，由于晶界区域品格畸变程度小使原子扩散速度增加，晶界强厦减弱。温度越高，载荷作用时间越长，则金属断裂方式更多地呈晶间断裂。

2. 提高钢的热强性途径

基于上述分析，提高钢的热强性主要途径省三个方面基体强化煤二相强化、晶界强化。

（1）基体强化。主要出发点是提高基体金属的原子问结合力、降低固溶体的扩散过程。研究表明，从钢的化学成分来说，凡是熔点高、自扩散系数小店首提高钢的再结晶温度的合金元素固溶于基体后都能提高钢的热强性。如h 基及M 是高温合金中主要的固 溶强化元素有Mo 、W 、Co 和Cr 等。从固溶体的晶格类型来说，奥氏作基比铁素作基体的热

强性高。这是由于奥氏体的点阵排列较铁素体致密，扩散过程不易进行。如在铁基合金中，Fe 、C ，Mo 等元素在A 中的扩散系数显著低于在F 中的扩散系数，这就使回复和再结晶过程减慢，第二相聚集速 度减慢，从而使钢在高温状态下不易软化。

（2）第二相强化。主要出发点是要求第二相稳定，不易聚集长大批在高温下长期保持细小均匀的弥散状态，因此对第二 相粒子的成分利结构有一定的要求。耐热钢大多用难塔台金碳化物作强化相，如 MC，M 23C 6、M 6C 等。为获得更高的热强性 ，可用热稳定性更高的全属间化合物。如Ni3(TiAl),Ni3Ti,Ni3Al等作为基体的强化相。

（3）晶界强化、为减少高温状态下晶界的滑动，主要有下列途径：

①减少晶界、需适当控制钢的晶粒度。晶粒过细品界多，虽然阻碍晶内滑移，但晶界滑动的变形量增大、塑变 抗力降低。晶粒过大，钢的脆性增加，所以要适当控制耐热钢的晶粒厦，一般在2～4级晶粒度时能得到较好的高温综合性能。

②净化晶界。钢中的S 和P 等低熔点杂质易在晶界偏聚，并和铁易于形成低熔点共晶体，从而削弱晶界强度，使钢的热强性下降。着钢中加入B 、稀土等 元素，可形成高熔点的稳定化合物，在结晶过程中可作为晶核，使易熔杂质从晶界转入晶内，从而使晶界得到净化，强化了晶界。

③填补晶界上空位、晶界处空位较多，使扩散易于进行，是裂纹易于扩展的地力加入B 、Ti 、Zr 等表面活化元素，可以填充晶界空位 ，阻碍晶界原子扩散，提高蠕变抗力。

④晶界的沉淀强化。如果在晶界上沉淀出不连续的强化相，将使塑性变形时沿晶界的滑移及裂纹沿晶界的扩展受阻，使钢的热强性提高。例如用二次 固溶处理的方法可在品界上析出链状的Cr 23C 6化合物，从而提高钢的热强性。

除此之外，还可用形变热处理方法将晶界形状改变为锯齿状品界和在晶内造成多边化的亚晶界，进一步提高钢的热强性。

18.3 a-Fe基热强钢

a-Fe基热强钢包含珠光体型热强钢和马氏体型热强钢、这两类钢在加热和冷却时会发生a 裆7转变，故使进一步提高使用温度受到限制。这类钢在中温下有较好的热强性、热稳定性及工艺性能 ，线膨胀系数小，合碳量也较低，价格低廉，是适宜在600～650℃以下温区使用的热强钢，广泛应用于制造锅炉、汽轮机及石油提炼设备等。

一，珠光作型热强钢

珠光体热强钢按合碳量和应用特点可分为低碳珠光体效强钢和中碳珠光体热强钢两类、前者主要用于制作锅炉钢管，后者主要用于制作汽轮机等耐热紧固件、汽轮化转子（包含轴、叶轮）等， 珠光体热强钢的工作温度虽然不高，但由于工作时间长，加之受周围介质的腐蚀作用，在工作过程中可能产生下述的组织转变和性能变化。

1.珠光体的球化和碳化物的聚集

珠光体热强钢在长期高温作用下，其中的片状碳化物转变成球状，分散细小的碳化物聚集成大颗粒的碳化物。这种组织的变化将引起钢的强烈较优，导致蠕变极限、持久强度、屈服极限的降低。这种转变是一种由不平衡状态向平衡状态过渡的自发进行的过处是通过碳原子的扩散进行的。

影响碳化物球化及聚集的主要因素是温度、时间和化学成分。碳钢最容易球化，合碳量增加会加速球化过程。在钢的成分中几代溶入固溶体并降低碳的扩散速度和增加碳化物中原子结合力的元素如 Cr、MO 、V 、Ti 等均能阻碍或延缓球化及聚集过程。

2. 钢的石墨化

钢件在工作温度和应力长期作用下，会使碳化物分解成游离的石墨，这个过程也是自发进行的，称为P 热强钢的石墨化过程、它不但消除了碳化物的作用，而 且石墨相当于钢中的小裂纹，使钢的强度和塑性显著降低而引起钢件脆断。这是一种十分危险的转变过程。

向钢中加入Cr 、Ti 、Nb 等合金元素，均能阻止石墨化过程；另外，在冶炼时不能用促进石墨化的Al 脱氧；采用退 火或回火处理也能减少石墨化倾向。

3. 合金元素的再分布

耐热钢长期工作时，会发生合金元素的重新分配现象，即碳化物形成元素Cr 、Mo 向碳化物内扩散、富集，而造成固溶体合金元素贫化，导致热强性下降。生产中经常采用加入强碳物形成元素V 、Ti 、Nb 等从而阻止合金元素扩散聚集的再分队提高钢的热强性。

4. 热脆性

珠光体型不锈钢在某一温度下长期工作时，可能发生冲击韧性大幅度下降，突然发生脆性断裂的现象。这种脆性积为热脆性。它与在该温度下某种新相的析出有关。防上热脆性可采取如下措施 ，使钢的长期工作温度避开脆性区温度；冶炼时尽量降低队P 含量：加入适量的W 、Mo 等合金元素，已发生热脆性的钢，可采用600～650℃高温回火后快冷的方法加以消除。

珠光体热强钢的热处理，一般经正火（ Ac3＋ 50℃）处理所得到的组织是不稳定的，为了保证在使用温度下组织性能稳且一般采用高于使用温度100℃的回 火处理。

二、马氏作型热弹钢

这类钢主要用于制造汽轮机叶片和汽轮机或柴油机的排气阀。

应用最早的是Cr13型钢，它是一种马氏体不锈钢。经热处理后，可获得较高的机械性能和良好的耐热性。

Crl3型马氏体效强钢的热处理工艺通常采用1000～1150℃油淬，650～750℃高温回火得到回火屈氏体和 回火索氏体组织，以保证在使用温度下组织和性能的稳定。它们用于制造像用温度低于588℃的汽轮机和燃气轮机的叶片。

18.4 γ－Fe 基热强钢

珠光体、马氏体类热强钢一般使用温度在650℃以下，不能适用于更高的使用温度其原因在于，无论是珠光作基还是马氏体基热强钢，其基体相都是铁 素体，即先天不足。因此必须更换基作组织，即用奥氏体。负数氏体基钢之所以比Fe 基钢具有更高的热强性，其原因在于：γ-Fe 晶格的原子间结合力比α－Fe 晶格的原子间结合力大；γ-Fe 扩散系

数小；γ-Fe 的再结晶温度高（α－Fe 再结晶温度为450～600℃，而γ-Fe 再结晶温度大于800℃。 γ-Fe 基热强钢还具有良好的可焊性、抗氧化性、高的塑性和冲击韧性。这类钢也有一些缺点，如室温屈服强度低、压力加工及切削性能较差、导热性差，而在温度变化时效应力大，故抗热疲劳性能差。但是由于热强性高，所以得到了充分的发展和广泛的应用。

第6章 金属材料的高温机械性能

高温下承载材料的机械性能与室温承载材料有很大区别：比如

（1） 强度降低，在不同温度下进行金属材料的静拉伸试验时，可以发现，随着试验温度的升高，屈服平台消失，而且材料所能承受的最大载荷也降低。图

（2） 塑性增大。

在高温条件下，影响材料机械性能的因素增多，不仅温度有影响，应变速度，断裂所需时间也有影响。

6.1. 金属材料的蠕变形象

6.1.1.

蠕变现象

蠕变：金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形。

碳素钢超过300～350℃，合金钢超过400～450℃发生

蠕变曲线：三个阶段

oa 开始部分，加载引起的瞬时变形

ab 第1阶段，速度大，不稳定阶段，减速阶段，τ1，ε1

bc 第2阶段，稳定阶段，等速阶段τ2，ε2

cd 第3阶段，最后阶段，加速阶段τ3，ε3，不能计入元件寿命期。

6.1.2. 蠕变曲线的表示方式

数学模型，主要表示第一阶段和第二阶段

蠕变条件下蠕变速度随时间变化可用下式来表示

其中A ，n 为外界条件与材料性质的常数

第一阶段两种式子

第二阶段

6.1.3. 金属材料在蠕变中的组织变化

6.1.3.1. 滑移

整个蠕变过程中，有滑移产生

6.1.3.2. 亚晶形成

晶粒变形不均匀破裂，形成亚晶

6.1.3.3. 晶界形变

晶界也参与形变，有时高达40-50%

6.1.4. 金属材料的蠕变理论

蠕变是在一定的温度和应力作用下发生的，与原子热运动有关。原子热运动作用大致有两方面：

（1） 是在应力作用下原子直接大量地定向扩散

（2） 协助受阻位错克服障碍重新运动

一方面形变硬化，一方面回复

6.1.5. 金属材料的蠕变断裂机理

金属材料蠕变断裂分2种：晶间和穿晶

穿晶：有大量塑性变形，韧性，高应力，低温

晶间：塑性变形小，脆性，低应力，高温

等强度温度概念

两种理论：楔形蠕变裂纹（三晶交界处应力集中，穿晶），空洞形（空洞在三晶交界处汇集，晶间）

6.2. 金属材料的高温强度

6.2.1. 条件蠕变极限

根据不同的需要有2种

（1） 给定温度下，引起规定变形速度的应力值

（2） 一定工作温度下，在规定时间内，使试件发生一定量总变形时的应力值

6.2.2. 高温持久强度

在给定温度下，经过一定时间而断裂时所能承受的最大应力。

表示材料在温度t 经过τ而断裂时所能承受的最大应力

与蠕变区别：蠕变考虑变形为主，高温持久强度主要考虑材料在长期使用下的破坏抗力。

6.3. 蠕变和持久强度的推测方法

必须进行长期试验，应用外推方法，可大大缩短时间。

外推法：（1）总结金属材料试验数据，找出经验关联式，用以外推

（2）从微观出发，建立应力，温度和断裂时间的关系式。

等温线法：在同一试验温度下，用较高温度应力进行短期试验数据。（加大强度）

6.4. 钢的持久塑性

是高温条件下工作的重要指标之一。

细小碳化物（Mo2C ，VC ）在晶内析出，提高晶内强度，削弱晶界强度，形成低塑性的晶间断裂。 影响因素

（1） 合金元素

加入硼强化晶界，减小有害元素S 等

（2） 金相组织

珠光体-F>贝氏体>马氏体

（3） 热处理

奥氏体化温度d ，回火温度a

6.5. 影响材料高温强度性能的因素

提高材料高温强度关键

（1） 使在蠕变变形过程中受到阻碍而堆积的位错不容易重新开始运动

（2） 大力强化晶界，避免晶间开裂

6.5.1. 化学成分

6.5.1.1. C

不同钢种有最佳值。

6.5.1.2. 其它合金元素影响

Mo 可提高材料高温强度

V ,Nb,Ti 可强烈形成碳化物，在钢中形成弥散分布的沉淀相，有良好强化效果。

P 强化晶界

（1） 每种合金元素的作用与其质量分数不成正比，往往有一最佳值。

（2） 每种合金元素的质量分数越高，则单位质量分数所引起的作用越小。因而多元素，少质量

分数的钢种有良好的高温性能

6.5.2. 冶炼方法

钢中气体量，晶界处的偏析，夹渣对钢高温性能影响大。

减小有害元素，选择适当的冶炼方法

6.5.3. 金属材料的组织结构

6.5.3.1. 碳化物形状分布

片状弥散分布热强性好，球状聚集不好

6.5.3.2. 晶粒度

常温下， 细晶粒具有高强度

高温下细晶则易蠕变， 此时有个最佳值

6.5.4. 热处理方法

热处理后，在常温下使用，不发生组织变化，可行

而在高温下，不稳定的结构组织将发生变化，使高温性能变坏。

6.5.5.

温度波动对钢材高温强度的影响

温度对钢和的高温强度影响，主要有2方面

（1） 温度的波动使实际温度高于规定温度

（2） 附加热应力

6.6. 金属材料的松驰

6.6.1. 金属材料的松驰特性

松驰：金属材料在高温和应力状态下，如果维持总变形量不变，随着时间的延长，应力逐渐降低的现象。

如果总变形量不变，弹性变形转变为塑性变形

应力松驰分2

阶段，

第1阶段应力随时间急剧降低，第2阶段应力下降缓慢并趋向恒定。恒定值为松驰极限。因为松驰

极限小，通常不用它来评定材料的抗松驰能力，而用一定时间内，

材料中应力的降低值征材料抗松驰性能。

松驰稳定系数S0，不考虑初应力，更合理。a

6.6.2. 松驰的塑性应变速度

低碳钢只与应力有关

合金钢在第1阶段与应力和总应变有关，第2阶段，只与应力有关。

6.6.3. 再紧固对松驰的影响 来表

在动力装置上，常采用法兰螺栓联接，为了保证联接的紧密性，使用一定时间后要再次紧固。 单纯松驰与再紧固松驰见下图

:

6.6.4. 应力松驰与蠕变的关系

松驰与蠕变有差别也有联系

差别：蠕变是恒定应力下，塑性变形随时间的延长而不断增加的过程；松驰是恒定变形下，应力随时间的延长不断降低过程，此时塑性变形的增加是与弹性变形的减小等量同时发生。 联系：本质相同，松驰也可看作是应力不断降低时的多级蠕变。

第3章 钢的热处理

改善钢的性能，主要有两个途径

（1） 调整钢的化学成分，加入合金元素

（2） 钢的热处理，改变组织结构

热处理：通过加热，保温，冷却等操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种加工工艺。

分类：

普通热处理：退火，正火，淬火，回火

表面热处理：表面淬火（火焰加热，感应加热），化学热处理（渗碳，氮化，碳氮共渗）

3.1钢热处理的基本原理

加热或冷却时钢组织结构发生变化。

3.1.1 钢在加热时的组织转变

A1，A3，Acm 是反映不同含碳量的钢在缓慢加热和冷却时的相变温度（平衡临界点）。实际生产中，加热和冷却速度不可能很慢，总有过冷和过热现象。加热和冷却速度越大，相变温度偏离平衡临界点的程度也越大，即过冷度和过热度越大。通常用Ac1，Ac3和Accm 表示加热时偏离后的相变温度；用Ar1，Ar3和Arcm 表示冷却时偏离后的相变温度。

大多数热处理工艺都是将钢加热至相变温度以上，使其室温组织转变为均匀奥氏体， 即“奥氏体化”。

以共析钢为例说明钢在加热时的组织转变。

3.1.1.1 形成过程

共析钢在室温时具有珠光体组织，将其加热到Ac1以上时，珠光体将全部转为含碳量为0.77%的奥氏体。

P=F（体心立方）+Fe3C （复杂晶格）——>A（面心立方）

奥氏体化是一个重结晶的过程，分为四个阶段：

*奥氏体晶核形成

晶核易于在F 和Fe3C 相界面形成，这是因为此处原子排列紊乱，位错、空位密度高。 * 奥氏体晶核的长大

含碳量不同出现碳浓度梯度，引起F->A及Fe3C 溶解。

* 残余奥氏体的溶解

F 先转变完，Fe 3C 完全溶解

* 奥氏体成分均匀化

碳扩散使A 含C 量趋于均匀。

3.1.1.2 影响珠光体向奥氏体转变的因素

*形成温度，钢的成分和原始组织及加热速度

形成温度越高，原子扩散能力增大，增大了A 中C 浓度梯度，加速成A 形成。

* 含C 量越高，F 和Fe3C 相界面增多，有得于A 形成。

* P越细，A 形成速度越快。

* 连续加热时，随着加热速度增大，A 形成温度提高，所需时间缩短。

3.1.1.3 奥氏体晶粒的长大及其影响因素

晶粒度分为起始晶粒度，实际晶粒度和本质晶粒度。

起始晶粒度：指珠光体刚刚全部转变为A 时的A 晶粒度。

实际晶粒度：指钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒大小。直接影响钢件性能。

本质晶粒：指A 晶粒长大的倾向性（本质细晶粒钢，本质粗晶粒钢）

A 晶粒长大及其影响因素：

*奥氏体化温度越高，晶粒长大越明显。

* 加入合金元素影响奥氏体晶粒长大。

能形成稳定碳化物元素Ti ，Cr ，抑制A 长大。

Mn ，P 等则加速A 长大

3.1.2 钢在冷却时的组织转变

冷却方式有两种：

（1）等温冷却

就是将加热后组织为全部奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷却到Ar1线以下某一温度，这时奥氏体尚未来得及转变，但已成为过冷奥氏体。然后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变。再继续冷却到室温，如等温退火、等温淬火等。

（2）连续冷却、

将加热后组织为全部奥氏体的钢，以某一速度冷却，使奥氏体在温度连续下降的过程中发生组织转变。如退火（炉冷），正火（空冷），普通淬火（油、水泠）。

过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能

珠光体，索氏体，屈氏体：晶粒粗细之分。

马氏体：C 在α-Fe 中的过饱和固溶体，高强度，高硬度和耐磨性

贝氏体：由含碳过饱和F 和碳化物组成的两相混合物。上贝氏体，下贝氏体（高强，韧）

3.1.2.1 过冷A 等温冷却

将A 过冷到Ar1以下的某一温度，并在此温度等温停留过程中完成其组织转变过程，称为过冷A 的等温转变。

（1） 高温转变区Ar1-550

（2） 中温转变区550-230

（3） 低温转变区

3.1.2.2. 过冷A 连续冷却转变

在实际热处理生产中，A 的转变大多是在连续冷却过程中进行的，常在炉内、空气中，油中或水中冷却。与等温转变一样也能发生珠光体、贝氏体、马氏体等转变，但不同的是冷却过程要经过各个转变温度区，会发生几种转变，得到几种转变产物的复合组织。

3.2 钢的热处理

3.2.1 退火与正火

钢的退火与正火是应用非常广泛的热处理工艺，例如各类铸、锻、焊生产的毛坯或半成品的预备热处理，目的在于消除冶金及热加工过程中产生的某此缺陷，改善组织和工艺性能，为以后的机加工及最终热处理做好组织与性能准备。对于某些性能要求不高的机械零件，经退火或正火后可直接使用。此时，退火或正火也就成为最终热处理。

退火：把钢加热到临界点Ac1以上或以下的一定温度，保温一段时间，随后在炉中或埋入炉中或

导热性较差的介质中，使其缓慢冷却以获得接近平衡状态的稳定的组织。

目的：

（1）降低钢的硬度，改善切削加工性；

（2）提高钢的塑韧性，便于成形加工；

（3）细化晶粒

（4）消除工件内的残余应力。

正火：将钢加热到Ac3或Accm 以上30-50℃，适当保温后，从炉中取出在静止的空气中冷却至

室温。

目的：

（1）细化晶粒，消除缺陷

（2）调整钢的硬度

（3 消除内应力

既可做为中间热处理，也可用作最终热处理。

3.2.2 淬火与回火

淬火：将钢加热到Ac3或Ac1线以上30-50℃，保温一定时间后，在水或油中快速冷却，以获得马氏体组织。

目的：主要是获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。

两个概念：淬透性，淬硬性

淬火后强度和硬度有了较大提高，但塑性和韧性却显著降低，此外，淬火工件内部有较大内应力，

如不及时处理，

会进一步变形至开裂，为此，淬火后要及时回火。

回火：将淬火后的钢加热到Ac1线以下的某一温度，在该温度下保温一定时间（2-4小时），然后取出在空气或油中冷却。

回火通常作钢件热处理的最后一道工序，因此，把淬火和回火的联合工艺称为最终热处理。 目的：

（1）降低脆性，减少内应力，防止变形开裂

（2）调整钢件的机械性能

（3）稳定组织，保证工件尺寸、形状稳定。

低温回火：加热到150-250℃，保温1-3小时后空冷，得到回火马氏体。（保证高硬度，如刃具、量具）

中温回火：加热到350-450℃，保温后空冷，得到回火屈氏体。（高弹性极限，有一定韧度和硬度，如弹簧）

高温回火：加热到500-650℃，保温后空冷，得到回火索氏体。（有一定强度和硬度，又有良好的塑性和韧性，如曲轴，齿轮）

淬火+高温回火=调质处理

3.2.3表面热处理

机器零件如齿轮，曲轴工件条件不同，有时受冲击，表面受摩擦，要求芯部有足够强度，韧性，表面有高的硬度和耐磨性。

3.2.3.1. 表面淬火

火焰加热表面淬火；感应加热表面淬火

3.2.3.2. 表面化学热处理

渗碳：向钢的表面渗入碳原子，提高表面含碳量，提高材料表面硬度、抗疲劳性和耐磨性。 渗氮：在工件表面渗入氮原子，形成一个富氮硬化层的过程。提高材料表面硬度、抗疲劳性和耐磨性，且渗氮性能优于渗碳。

碳氮共渗：碳氮同时渗入工件表层。提高表面硬度、抗疲劳性和耐磨性，并兼具渗碳和渗氮的优点。

渗铬：有较好的耐蚀性和优良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不锈钢和耐热钢用于机械和工

具制造。

渗硼：十分优秀的耐磨性、耐腐蚀磨损和泥浆磨损的能力，耐磨性明显优于渗氮、碳和碳氮共渗层，但不耐大气和水的腐蚀。主要用于泥浆泵零部件、热作模具和工件夹具。