先來說耐熱鋼和耐熱合金。這兩者的區(qū)別并沒有明確的規(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。
再來說耐熱鋼和高溫合金。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到750℃～850℃。對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度兩個方面。
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)生化學反應即氧化腐蝕,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,與基體金屬結合力高,氧化膜強度較高,就能夠阻止氧原子向金屬內(nèi)部的擴散,降低氧化速度,否則會加速氧化,使金屬表面起皮和脫落等,導致零件早期失效。
鋼表面氧化膜的組成與溫度有關,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,占整個氧化膜厚的90%左右,金屬原子和氧原子很容易通過FeO層擴散,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,優(yōu)先形成致密的高熔點氧化膜Cr2O3、SiO2、Al2O3等,嚴密地覆蓋住鋼的表面,阻止氧化的繼續(xù)進行。
② 高溫強度
金屬的高溫強度是指金屬材料在高溫下對機械載荷作用的抗力,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)出的力學性能與室溫下有較大的區(qū)別,當工作溫度大于再結晶溫度后,金屬除了受外力作用產(chǎn)生了塑性變形和加工硬化外,還會發(fā)生再結晶和軟化過程,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性能與溫度、時間、組織變化等因素有關。
金屬在高溫下工作常會發(fā)生“蠕變”現(xiàn)象,即當工作溫度大于再結晶溫度時,工作應力超過該溫度下的彈性極限時,隨時間的延長金屬發(fā)生緩慢變形的現(xiàn)象。金屬對蠕變的抗力越大,其高溫強度也越高。
金屬的高溫強度一般用蠕變極限和持久強度來表示。蠕變極限是指金屬在某溫度下,經(jīng)過一段時間后,其殘余變形量達一定數(shù)值時的應力值。持久強度是指在恒定溫度下經(jīng)過一定時間,金屬材料發(fā)生斷裂破壞時的應力值。
金屬材料在高溫下晶界強度低于晶內(nèi),因此加入合金元素提高再結晶溫度,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度。
來源:金屬材料的世界
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