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第六章耐热钢和耐蚀钢
石油化工行业中由于材料经常在较高温度和有一定的腐蚀介质的环境下
工作,所以常常使用耐热钢和耐蚀钢来制造
第一节耐热钢
我们把能够在高温下工作的钢叫做耐热钢。从耐热钢的工作环境来看,耐
热钢应该具有两方面的性能,即高温化学稳定性和高温强度。这样我们把在高
温下能长期工作不致因介质侵蚀而破坏的钢叫做热稳定钢(抗氧化钢或耐热不
起皮钢);在高温下仍具有足够的强度不会大量变形或破断的钢叫做热强钢,
热强钢在具有高温强度的同时又应具有抗氧化性。
对耐热钢的性能要求
(一)金属的抗氧化性
1、金属的氧化过程
金属在高温下工作,最容易被氧化。氧化是一种典型的化学腐蚀,具有化
学腐蚀的一系列特征。它是介质直接与金属接触而发生的化学反应。
在高温下,当02、C02H0及H气体与纯净的钢的表面接触时,介质的分
子首先被吸附在金属的表面并分解成原子,然后发生介质原子与金属原子的化
合作用,首先是使钢脱碳,随后发生铁的氧化反应,其反应可用下列反应式表
M+XMⅨ
式中M表示金属原子,X表示非金属介质原子。反应生成了相应的腐蚀产
物,腐蚀产物根据其特点可以分为以下几类。
1)腐蚀产物是可挥发的气体,或者腐蚀产物是结构非常疏松的固态物质留在
金属的表面。这时,介质可以继续保持与金属表面的接触,使得腐蚀可以继续
进行。
2)腐蚀产物是结构比较致密的固态物质,同时腐蚀产物可以完整地覆盖在金
属的表面。这样要使氧化过程能继续进行,金属离子和氧原子需要扩散通过腐
蚀产物形成的覆盖层后才能发生反应,同时生成的产物使得覆盖层进一步增
厚。随着覆盖层的增厚,扩散越来越难于进行,氧化反应的速度也越慢。这种
覆盖层能够减慢氧化甚至阻碍氧化的进行,我们称为保护膜。
2、保护膜的性质与氧化速度
金属的氧化速度与保护膜的性质有着密切的关系,我们把保护膜分为下面
两类。
1)通过保护膜原子或离子可以继续扩散,随着保护膜的增厚,氧化速度
是随时间变化的。其氧化速
度可表示为
y"kt+
dy/dt=k/y或者为y2=kt+A
属于这类的金属有Fe、Co
Cu、Ni、Mn、Zr。
2)保护膜阻碍原子或离子的扩散,
氧化速度服从对数规律。其氧化速度
可表示为
图61氧化膜厚度与时间的关系
dy/dt=k/e或者y=lnkt
属于这类的金属有Cr、Si、AI、Zr
3、铁的氧化膜结构及合金元素的作用
1)铁的氧化膜结构
铁的氧化物有三种
(1)、Fe0:简单点阵,氧化物结构疏松,金属离子容易通过氧化物的空
隙进行扩散,抗氧化能力差。
(2)、Fe03:密堆积结构,能强烈地阻碍扩散的进行,有着一定的抗氧
化性。
(3)、Fe30:密堆积结构,能强烈地阻碍扩散的进行,与铁的表面结
性很好,抗氧化能力强。
铁在200て以下时,氧化膜的增厚符合对数关系。在250~570C之间符合
抛物线关系。在570C以上,由于氧化膜的组成发生変化,氧化速度有了明显
的增加,这时氧化膜由三层组成,最表层Fe20,中层为Fe30n,与铁接触的部
分为Fe0。当Fe0出现时,铁的氧化速度显著增加,而且Fe0的结构疏松,与
基体的结合较差。出现Fe0时,会由于内层的体积変化破坏了外表层致密的
Fe202和Fe20,氧化膜的连续性,从而使氧化更易进行。
2)合金元素的作用
)、形成稳定的合金氧化膜
为了形成稳定的合金氧化膜,应该使氧化膜的结构比较致密,这样铁离子
和氧离子通过膜的扩散就困难。同时,氧化膜和基体金属应结合紧密,不疏松
并且不容易脱落,这就要求两者的点阵类型应该相似,点阵常数应相等或成整
数被,氧化膜与基体间内应力较小。
加入Cr、AI、Si等合金元素,可以优先氧化,形成这些元素占优势的合
金氧化膜,具有良好的保护作用。
(2)、提高Fe0的形成温度
在铁中加入合金元素Cr、A
Si等可以提高Fe0出现的温度,改
Ni
善钢和合金的化学稳定性。在Cr、
AI、Si含量比较高时,钢在800~
1200C温度范围内不会出现Fe0。
(3)、净化晶界,减小晶界
Cr
优先氧化现象
在钢中加入极少量的稀土金属、
0).0)1
048121620
碱土金属,可以显著提高其抗氧化性
合金元素
能,这主要是由于消除了晶界优先氧
图62合金元素对铁氧化速度的影响
化的倾向。
(二)金属的高温机械性能与强化
1、金属的高温机械性能
在室温下,塑性変形是通过位错的运动来进行的,由于晶界具有高的强度
对位错运动具有较大的阻力,所以室温下晶粒越细,强度越高。
高温时,随着温度的升高,
晶界的强度下降显著,材料强度
,穿品断裂
晶?断裂
亦随之下降。当晶界强度与晶内
品内强度
强度相等时,材料的强度就由晶
界强度所决定,我们把这时的温
度称为等强温度。可以看出,随
晶界强度
着温度的升高,金属的断裂方式
会由穿晶断裂转变为晶间断裂,
这时晶界越多,发生断裂的可能
性就越大,金属的强度就越低。
图6-3晶内强度、晶界强度与温度的关系
随着温度的升高,金属的変形行为和失效形式与室温相比有了较大的区
别,主要表现在以下几个方面。
1)金属的蠕变现象
金属在长时间的恒温、恒应力作用下,发生的缓慢的塑性変形现象称为蠕
变。
当温度和应力为某一定值时,其蠕变曲线如图64所示。蠕变曲线可以
分为三个阶段,一种理想的材料其蠕变曲线的第二阶段,即稳定蠕变阶段应该