耐熱鋼設(shè)計(jì)范文
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一、耐熱鋼的工作條件和性能
耐熱鋼的發(fā)展是高溫下工作的動(dòng)力機(jī)械的需要，如火電廠的蒸汽鍋爐，蒸汽渦輪、航空工業(yè)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，以及航天、艦船、石油和化工等工業(yè)部門的高溫工作部件。它們?cè)诟邷叵鲁惺芨鞣N載荷，如拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、疲勞和沖擊等。此外，它們還與高溫、蒸汽、空氣或燃?xì)饨佑|，表面發(fā)生高溫氧化或氣體腐蝕。在高溫下工作，鋼將發(fā)生原子擴(kuò)散過程，并引起組織轉(zhuǎn)變，這就是與低溫工作部件的不同點(diǎn)。耐熱鋼的基本要求是：一是要具有良好的高溫強(qiáng)度及與之相適應(yīng)的塑性；
二、是要具有足夠高的化學(xué)穩(wěn)定性(如抗氧化、抗腐蝕等)
鋼在溫度和應(yīng)力作用下將發(fā)生連續(xù)而緩慢的變形，即蠕變，鋼中的組織變化是蠕變的內(nèi)因，表示高溫強(qiáng)度的指標(biāo)有三種：其一為蠕變強(qiáng)度，它表示在某種溫度下，在規(guī)定時(shí)間達(dá)到規(guī)定變形(如0.1%)時(shí)，所能承受的應(yīng)力；其二為持久強(qiáng)度，它指定在規(guī)定的溫度和規(guī)定時(shí)間斷裂所能承受的應(yīng)力；其三為持久壽命，它表示在規(guī)定溫度和規(guī)定應(yīng)力作用下，拉斷時(shí)間。另外，高溫下的緊固件要求有低的應(yīng)力松馳性能。承受交變應(yīng)力的高溫零件要求高的高溫疲勞強(qiáng)度。
鋼在高溫下與空氣接觸將發(fā)生氧化，表面氧化膜的結(jié)構(gòu)因溫度和合金的化學(xué)成份而有著不同的化學(xué)穩(wěn)定性。鋼在575℃以下表面生成Fe2O3和Fe3O4層，在575℃以上出現(xiàn)FeO層，此時(shí)氧化膜外表層為Fe2O3，中間層為Fe3O4，與鋼接觸層為FeO。當(dāng)FeO出現(xiàn)時(shí)，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(kuò)散速率，因而FeO層增厚最快，F(xiàn)e3O4和Fe2O3層較薄，氧化膜的生成依靠鐵離子向表層擴(kuò)散，氧離子向內(nèi)層擴(kuò)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(kuò)散。要提高鋼的抗氧化性，首先要阻止FeO出現(xiàn)。加入形成穩(wěn)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(kuò)散速率減慢，并使膜與基體牢固結(jié)合，可以提高鋼在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性。合金元素對(duì)鋼的氧化速度的影響見下圖：
二、合金元素對(duì)鋼的氧化速度的影響：
鋼中加入鉻、鋁、硅，可以提高FeO出現(xiàn)的溫度，改善鋼的高溫化學(xué)穩(wěn)定性。就質(zhì)量分?jǐn)?shù)而言，1.03%Cr可使FeO在600℃出現(xiàn)，1.14%Si使FeO在750℃出現(xiàn)，1.1%Al+0.4%Si可使FeO在800℃出現(xiàn)。當(dāng)鉻和鋁含量高時(shí)，鋼的表面可生成致密的Cr2O3或Al2O3保護(hù)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(hù)作用。鉻是提高抗氧化能力的主要元素，鋁也能單獨(dú)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(duì)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(yōu)先氧化的現(xiàn)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(nèi)層貼著金屬生成含鎢和鉬的氧化物，而MoO3和WO3具有低熔點(diǎn)和高揮發(fā)性，使抗氧化能力變壞。
三、合金元素的比例對(duì)不同體型耐熱鋼的高溫強(qiáng)度的影響
耐熱鋼根據(jù)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(qiáng)化方法是固溶強(qiáng)化和碳化物沉淀強(qiáng)化。
固溶強(qiáng)化元素有鎢、鉬、鉻。鎢、鉬鉻溶于基體a相，能增強(qiáng)基體原子間結(jié)合強(qiáng)度，提高再結(jié)晶溫度，因而能顯著地提高基體的蠕變抗力。鉻在ω≤0.5%時(shí)強(qiáng)化基體的作用較強(qiáng)，鉻再增加則強(qiáng)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(qiáng)化作用以MC型最高，它不易聚集長(zhǎng)大；M2C型的沉淀強(qiáng)化作用次之；M6C型又次之；M7C3型由于聚集長(zhǎng)大速度高，將降低鋼的蠕變強(qiáng)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(shí)，出現(xiàn)合金滲碳體(Fe,Cr)3C;當(dāng)ω超過2%--3%時(shí)，出現(xiàn)(Fe,Cr)7C3碳化物。
含鎢、鉬、釩、鈮的鋼經(jīng)過熱處理，在500--700℃范圍析出MC和M2C型碳化物，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化，當(dāng)V/C=4，符合VC化學(xué)式時(shí)，碳和釩幾乎全部結(jié)合形成VC，就達(dá)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(dāng)Nb/C=8,Ti/C=3時(shí)，幾乎全部形成NbC和TiC，具有最高蠕變抗力。當(dāng)其比例小于各自的數(shù)值時(shí)，有剩余碳有存在，它就會(huì)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(zhǎng)大速度高，強(qiáng)化效果差，同時(shí)減少了鎢、鉬在基體中的固溶強(qiáng)化作用。當(dāng)釩、鈮、鈦與碳的比例超過各自的數(shù)值時(shí)，過剩的釩會(huì)降低基體的蠕變抗力，過剩的鈮或鈦會(huì)形成AB2相，如Fe2Nb和Fe2Ti其聚集長(zhǎng)大速度較高，對(duì)蠕變強(qiáng)度不利。
具有體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體型耐熱鋼在600-650℃溫度條件下的蠕變強(qiáng)度明顯下降。而具有面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體型耐熱鋼，在650℃或更高的溫度下有較高高溫的強(qiáng)度。奧式體型耐熱鋼可分為Cr18Ni9型奧氏體不銹鋼、固溶強(qiáng)化型奧氏體耐熱鋼和沉淀強(qiáng)化型奧氏體耐熱鋼。
固溶強(qiáng)化型奧氏體耐熱鋼是以鎢、鉬進(jìn)行固溶強(qiáng)化，以硼進(jìn)行晶界強(qiáng)化。這類鋼的沉淀強(qiáng)化相為MC碳化物，并含有鎢、鉬等固溶強(qiáng)化元素。當(dāng)釩、鈮和碳的比例正好和VC和NbC的化學(xué)式相等時(shí)，具有最佳的高溫強(qiáng)度。VC析出的最高速度的溫度在670--700℃，在此溫度時(shí)效后，鋼具有最高的沉淀硬化。另外一種碳化物是復(fù)合的M23C6型的(Cr,Mn,Mo,Fe,V)23C6,它是不能成為沉淀強(qiáng)化相。
四、顯微組織對(duì)耐熱鋼的強(qiáng)度影響
顯微組織對(duì)耐熱鋼的蠕變強(qiáng)度有著很大的影響。以12Cr1MoV鋼為例，經(jīng)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(jīng)過高溫回火。三者在580℃和600℃長(zhǎng)時(shí)間持久強(qiáng)度試驗(yàn)表明，馬氏體高溫回火的組織具有最高的持久強(qiáng)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(yàn)結(jié)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(qiáng)度的一個(gè)途徑。
五、結(jié)論
通過上述研究可得到以下結(jié)論：
(1)耐熱鋼中的合金元素的比例含量對(duì)耐熱鋼的抗氧化性、抗腐蝕性、強(qiáng)度有著重大有影響
(2)耐熱鋼的顯微組織的不同對(duì)耐熱鋼的強(qiáng)度、塑性同樣也有著很大的影響
(3)鋼中有害雜質(zhì)元素對(duì)耐熱鋼的力學(xué)性能有著不利的影響。
(4)在設(shè)計(jì)耐熱鋼時(shí)，應(yīng)根據(jù)耐熱鋼的工作溫度、承載能力，使用壽命等方面來進(jìn)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(xué)成份和組織結(jié)構(gòu)決定了材料的性能。因此，利用材料不同的化學(xué)成份和組織結(jié)構(gòu)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(jīng)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(duì)耐熱鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)的。
關(guān)鍵詞：組織結(jié)構(gòu)、耐熱鋼、性能
金屬材料是現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)，從歷史的發(fā)展來看，人類由石器時(shí)代進(jìn)入青銅器時(shí)代，人類社會(huì)的生產(chǎn)產(chǎn)生了一次重大的飛躍;進(jìn)入鐵器時(shí)代，人類社會(huì)的生產(chǎn)又一次得到迅猛的發(fā)展。在目前為止，人類還是處在金屬器的時(shí)代，因?yàn)榻饘俨牧系男阅軟Q定了它的用途和工作條件，隨著社會(huì)的進(jìn)步、科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)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(dá)到這個(gè)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(gè)十分復(fù)雜的問題。但人們?cè)陂L(zhǎng)期的實(shí)踐和探索研究中發(fā)現(xiàn)：決定金屬及合金性能的基本因素是它們內(nèi)部的微觀構(gòu)造，即其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)。