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耐热合金的耐热性要素
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高温抗氧化能力

金属的高温抗氧化性能是指钢在高温条件下抗氧化的能力,是确保钢在高温条件下能持久工作的重要条件。

在高温空气、烟气等氧化性气氛中,金属与氧接触,发生化学反应,形成氧化腐蚀,腐蚀产物(氧化膜)附着在金属表面,这是典型的化学腐蚀。金属表面氧化膜的厚度随着氧化过程而不断增加,氧化到一定程度后是否继续氧化,直接取决于金属表面氧化膜的性能。产生的氧化膜致密、稳定,与基体金属结合力大,氧化膜强度高,能防止氧原子扩散到金属内部,降低氧化速度,否则会加速氧化,使金属表面剥落等,导致零件早期失效。

在570℃以下,钢表面氧化膜的组成与温度有关,氧化膜由Fe2O3+Fe3O4组成,比较致密,能有效阻止氧的扩散,抗氧化性能较好。高于570℃加热时,氧化膜由FeO+Fe2O3+Fe3O4组成,FeO在钢表面附近呈圆柱形,向外依次为Fe3O4和Fe2O3,FeO疏松多孔,占整个氧化膜厚度的90%左右,金属和氧原子容易通过FeO层扩散,加速氧化。随着FeO在高温下的存在,钢的抗氧化性大大降低,温度越高,原子扩散越快,氧化速率也越快。

通过添加Cr、Si、Al等合金元素,使钢在高温下与氧接触时,首先形成致密的高熔点氧化膜Cr2O3、SiO2、Al2O3等,使钢在高温下与氧紧密接触,防止氧化过程继续进行。

温度高的强度

高温强度是指金属材料在高温环境中承受机械载荷的能力,即在高温环境中金属材料抗塑性变形和破坏的能力。

高温与常温下金属的力学性能有很大差别,当工作温度大于再结晶温度时,金属除受外力作用产生塑性变形外,还会发生再结晶和软化,使能在常温下正常工作的零件很难满足高温要求。

材料的高温力学性能与温度、时间及材料的组织变化等因素有关。

当工作温度大于再结晶温度、工作应力大于再结晶温度、弹性极限超过此温度时,随着时间的延长,金属常常出现“蠕变”现象,从而导致金属缓慢变形。随着金属抗蠕变力的增大,其高温强度也随之增大。

合金的高温强度通常表现为蠕变极限和持久强度。蠕变极限是金属在一定温度、一定时间后,其剩余变形量达到一定数值时的应力值。耐久性强度是金属材料在恒温下经过一定时间后发生断裂破坏时的应力值。

在高温下,金属材料的晶界强度低于晶体内部的强度,所以加入合金元素提高再结晶温度,形成稳定的特殊碳化物,以及采用粗晶材料、降低晶界等方法,可以有效提高钢的高温强度。

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