氧化膜中金属离子空位浓度降低，因而通过空位的传导被减弱，金
属抗氧化性将提高。
在N型半导体中加入较高价的合金元素离子，也会导致阴离子
空位的降低，使氧离子传导性削弱，钢的抗氧化性也将提高。
6.1 概 述
2、提高钢氧化膜稳定性
↑FeO的稳定氧化物： Cr、 Al、Si。
如：1.03%Cr，FeO形成温度为600℃； 1.14%Si， FeO形成温度为750℃ ； Cr、Al量高时，钢的表面可生成致密的Cr2O3 或Al2O3保护膜。
6.1 概 述
3、形成致密、稳定的氧化膜
↑Cr、Al、Si、Ti等，逐步形成以合金元素氧化物为
主的氧化膜，
如致密、稳定的Al2O3、SiO2、Cr2O3等。
第6章 耐热钢和耐热合金
概述
热强钢
镍基耐热合金 新型耐热合金
6.1 基本概念
一、耐热钢和耐热合金的用途
1. 蒸汽锅炉、蒸汽涡轮或燃气涡轮；
2. 喷气发动机、内燃机；
3. 加热炉构件。
它们都在高温下工作，并承受各种载荷，如拉伸、弯曲、
扭转、疲劳等，有的零件还承受冲击载荷。除此之外，钢件在 工作时还与高温蒸汽、空气或燃气相接触，表面要发生高温氧
度。粗晶粒钢高温强度高于细晶粒钢。
6.1 概 述
2、钢的热强性能指标
（1）蠕变及蠕变极限 蠕变：金属在一定温度和静载荷长时间的作用下，发生缓慢的 塑性变形的现象。 碳钢当T>300℃，合金钢当T>400℃时，在一定静载荷作用下， 都会产生蠕变，温度越高，蠕变现象越严重。 蠕变极限：又称蠕变强度，是表示金属蠕变抗力大小的指标。 蠕变极限表示在给定温度下，在规定时间内达到规定变形量时
6.1 概 述
三、金属的抗氧化性
1. 铁的氧化过程和保护膜 铁氧化物类型有FeO、Fe2O3、Fe3O4三种。 FeO：结构疏松，Fe离子容易通过FeO膜向外扩散，O离子由 表向里扩散。冷却分解，发生相变→应力，结合力弱，易剥落；
Fe2O3、Fe3O4：结构致密，和基体结合好。 570℃以下，氧化膜由Fe2O3和Fe3O4组成；
6.1 概 述
四、提高钢抗氧化性的途径
1、加入合金元素降低氧化膜中的扩散
加入不同的合金元素会改变钢表面氧化膜的结构和性质。
基体金属（A）、合金元素（B）在氧化时可能出现三种情况： ① 形成A的氧化物中含有B离子； ② 形成B的氧化物中含有A离子； ③ A、B各自形成氧化物。
6.1 概 述
在P型半导体中（金属离子空位）加入低价合金元素离子，由于低 价元素对静电场的平衡贡献少，可由更多的金属离子植入空位，使
（4）持久寿命
持久寿命是指在某一定温度和规定应力作用下，从作用开始时 间到拉断的时间。通常温度越高、应力越大，持久寿命越低。
6.1 概 述
蠕变强度和持久强度都是反映材料高温性能的重要指标， 其区别仅在于侧重点不同，两种指标的适用情况也不同。 ① 蠕变强度是考虑材料在高温下对塑性变形的抗力， ② 持久强度则主要考虑材料在长期使用下的断裂破坏抗力，
蒸汽管道螺栓需 要经常拧紧
高温拉应力
原子易于扩散
在工程应用中需要知道零件在高温工作一段时间后还存在 多少“残余应力”，是否会因紧固松弛而发生泄漏现象。对于 紧固件往往需要一定的预紧应力，一般规定为300MPa左右。
耐热 钢软 化的 因素
①原子间结合力↓（最根本的原因）。
② T↑，扩散加快，组织由亚稳态向稳定态过渡，如第 二相聚集长（弥散强化消失）等，都导致钢的软化。
6.1 概 述
1. 高温下的金属变形机制
室温下：滑移变形机制。晶界强度>晶内强度，细晶强化。 高温下：扩散形变机制。
扩 散 形 变 机 制
（1）与时间有关； （2）扩散易通过晶界进行，晶界强度<晶内强
4、加入少量稀土金属或碱土金属
提高耐热钢和耐热合金的抗氧化能力，特别在1000℃以上，使高 温下晶界优先氧化的现象几乎消失。
6.1 概 述
五、钢的热强性
金属零件在高温下长时间承受负荷时，有可能会出现两 种情况的失效： ① 在远低于σb的应力作用下，抗拉强度与塑性会随持续 时间的增长而显著降低，产生断裂； ② 在工作应力低于σs的情况下，工件会连续而缓慢地发 生塑性变形，导致失效。
化或燃气腐蚀。
6.1 基本概念
二、耐热钢和耐热合金的性能要求
1. 高温抗氧化性（耐热不起皮性） 由于高温要引起表面的剧烈氧化、腐蚀。 2. 高温强度 在高温下具有足够的强度、疲劳强度和相应的塑性，不发生 大量的变形或断裂。 3. 高温组织稳定性及强化机制在高温下的有效性 由于在高温下工作，钢和合金将发生原子扩散过程，并引起 组织的不断变化。 4. 在高温温度场中要有大的热传导性，小的热膨胀性。 5. 良好的工艺性能 如铸造、热加工、焊接、冲压等性能
570℃以上，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO氧化物组 成，约1:10:100。
形 成 规 律
570℃以上铁的氧化过程大大地加速。
6.1 概 述
2. 金属的氧化规律
取决于化学反应的速度和原子扩散的速度。 （1）直线关系
氧化膜不完整、不连续时，如氧化物体积较小的Mg、Na、Ca等。
y=Kt+A 氧化速度为一恒定值 y——氧化膜厚度；t——时间；K、A——常数 （2）抛物线关系 氧化膜覆盖金属表面，膜层中可进行离子的扩散，如 Fe、Co、Ni、 Cu、Mn等形成的氧化膜。y2=Kt+A （3）对数规律 氧化膜不仅覆盖金属表面，而且膜层中离子扩散较困难，如Cr、 Al、Si等元素形成的氧化膜。y=lnKt
两者之间并无定量关系。
一般来说，对于高温塑性好的材料，σ持 /σ蠕 比值较高；而
高温易于脆断的材料，σ持 /σ蠕 的比值较低。在设计中一般以选
用比值较高的材料为宜。
6.1 概 述
（5）应力松弛 金属应力松弛是在具有恒定总变形的零件中，随时间延长 而自行降低应力的现象。
经过有段时间后，弹性变 形成了塑性变形，从而使应 力不断降低。
所能承受的应力。
6.1 概 述
（2）持久强度
持久强度：在一定温度下，在规定时间内材料断裂所能承受的 最大应力。
（3）高温疲劳强度
高温疲劳寿命是指温度高于0.5Tm或在再结晶温度以上时出现疲 劳的现象。 在高温疲劳时只有条件疲劳极限，即把在某一规定的循环次数 （一般采用107~108次）下而不断裂时的最大应力作为疲劳极限。