先來(lái)說(shuō)耐熱鋼和耐熱合金。這兩者的區(qū)別并沒(méi)有明確的規(guī)定,通常將合金元素含量小于50%的稱為耐熱鋼,合金元素含量大于50%的,叫做(鐵基)耐熱合金。兩者的分別主要在于合金元素含量。
再來(lái)說(shuō)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(qiáng)度的鋼。耐熱鋼和耐熱合金在較高載荷下的最高使用溫度一般只能達(dá)到750℃～850℃。對(duì)于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。兩者的分別主要在于耐高溫溫度范圍。
金屬材料的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度兩個(gè)方面。
① 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(duì)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(xué)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)即氧化腐蝕,腐蝕產(chǎn)物(氧化膜)附著在金屬的表面。隨著氧化的進(jìn)行,氧化膜厚度繼續(xù)增加,金屬氧化到一定程度后是否繼續(xù)氧化,直接取決于金屬表面氧化膜的性能。如果生成的氧化膜是致密、穩(wěn)定的,與基體金屬結(jié)合力高,氧化膜強(qiáng)度較高,就能夠阻止氧原子向金屬內(nèi)部的擴(kuò)散,降低氧化速度,否則會(huì)加速氧化,使金屬表面起皮和脫落等,導(dǎo)致零件早期失效。
鋼表面氧化膜的組成與溫度有關(guān),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(kuò)散,抗氧化性較好。大于570℃加熱,氧化膜由FeO+Fe2O3+Fe3O4組成,靠近鋼表面的是FeO,向外依次為Fe3O4和Fe2O3,FeO疏松多孔,占整個(gè)氧化膜厚的90%左右,金屬原子和氧原子很容易通過(guò)FeO層擴(kuò)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(kuò)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Cr、Si、Al等合金元素,使鋼在高溫與氧接觸時(shí),優(yōu)先形成致密的高熔點(diǎn)氧化膜Cr2O3、SiO2、Al2O3等,嚴(yán)密地覆蓋住鋼的表面,阻止氧化的繼續(xù)進(jìn)行。
② 高溫強(qiáng)度
金屬的高溫強(qiáng)度是指金屬材料在高溫下對(duì)機(jī)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(xiàn)出的力學(xué)性能與室溫下有較大的區(qū)別,當(dāng)工作溫度大于再結(jié)晶溫度后,金屬除了受外力作用產(chǎn)生了塑性變形和加工硬化外,還會(huì)發(fā)生再結(jié)晶和軟化過(guò)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(xué)性能與溫度、時(shí)間、組織變化等因素有關(guān)。
金屬在高溫下工作常會(huì)發(fā)生“蠕變”現(xiàn)象,即當(dāng)工作溫度大于再結(jié)晶溫度時(shí),工作應(yīng)力超過(guò)該溫度下的彈性極限時(shí),隨時(shí)間的延長(zhǎng)金屬發(fā)生緩慢變形的現(xiàn)象。金屬對(duì)蠕變的抗力越大,其高溫強(qiáng)度也越高。
金屬的高溫強(qiáng)度一般用蠕變極限和持久強(qiáng)度來(lái)表示。蠕變極限是指金屬在某溫度下,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,其殘余變形量達(dá)一定數(shù)值時(shí)的應(yīng)力值。持久強(qiáng)度是指在恒定溫度下經(jīng)過(guò)一定時(shí)間,金屬材料發(fā)生斷裂破壞時(shí)的應(yīng)力值。
金屬材料在高溫下晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi),因此加入合金元素提高再結(jié)晶溫度,形成穩(wěn)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(qiáng)度。
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