i. 低碳 多在0.1%以上，可达0.4%。要利用碳形成碳化物来保持高的热强性。

ii.加入大量铬、镍 总量一般在25%以上。Cr主要提高热化学稳定性和热强性，Ni保证获得稳定奥氏体。

iii.加入钨、钼等 提高再结晶温度，并析出较稳定的碳化物提高热强性。

iv.加入钒、钛、铝等 形成稳定的第二相，提高热强性。第二相有碳化物（如VC等）和金属间化合物[如Ni（Ti，Al）等]两类，后者强化效果较好。

按其合金元素组成可分为铬-镍、铬-镍-氮、铬-锰-镍-氮、铬-锰-氮、铁-锰-铝等不同系列：

(1)铬-镍系。是这类钢中应用最广，牌号最多的系列，以其不同的铬、镍含量配比，满足不同温度档次的需要，随着铬镍含量的增高，抗氧化性及高温强度随之提高。根据需要在钢中加入固溶强化元素(钨、钼)，碳化物形成元素(钒、铌、钛)及微量元素(硼、锆、镁、稀土等)以进一步提高钢的热强性。

最典型牌号是1crl8Ni9，在此基础上演变的0Crl8NillTi、0Crl8NillNb、Crl7Nil2Mo2等可分别用于600～650℃锅炉管，850℃左右并承受一定应力的石油化工用各种板管材料，如加热炉管、热交换器管、燃烧室筒体、炉罩等。适当提高铬镍含量形成了Cr23Nil3钢，用于1000℃左右的炉用耐热构件，1cr25Ni20(Si2)是用于1000～1200℃范围内世界各国普遍采用的耐热钢牌号。为了提高耐热钢的抗渗碳性及热强性，国外发展了Cr21Ni32AlTi(Incoloy800)，用于石化及核能工业。Cr14N|14W2Mo、OCrl5Ni一25Ti2MoAlVB、1Cr22Ni20Co20Mo3W3NbN等钢中加入较多的强化元素钨和钼，提高了热强性，前者用于承受负荷较高的排气阀材料，后两牌号用于700～750℃高温汽轮机转子、螺栓、叶片等。

(2)铬-镍-氮系。为了节约镍，同时提高钢的高温强度，在钢中加入氮，中国发展了3Crl9Ni4N、3Cr-24Ni7SiN(RE)等牌号，前者可代替1crl8Ni9，后者可代替lCr23Nil3、lCr25Ni20及HK40(4Cr25Ni20)，3cr24Ni7SiN(RE)已列入中国国家标准而广泛应用，2Cr22Nil2N为引进钢种，用于汽油机及柴油机排气阀。

(3)铬-锰-镍-氮和铬-锰-氮系。同时在钢中加入锰和氮，可节省大量的镍，国内外均发展了不少牌号，如5Cr21Mn9Ni4N为典型阀门钢，大量用于经受高温强度为主的汽油及柴油机排气阀。在此基础上加入钨、钼、钒、铌可进一步提高高温强度，用于承受更大负荷的排气阀，如中国的Cr21Mn9WNbN、Cr21Mn-10MoVNbN等。2Cr20Mn9Ni2Si2N、3Crl8Mnl2Si2N为中国自己发展的钢种，有较好的高温强度，并具有良好的抗氧化性及抗渗碳性，可用作吊挂支架、渗碳炉内构件、加热炉传送带、料盘等，前者抗氧化优于后者，还9ao奥可用作盐浴坩埚及其他炉用材料。与铬镍钢相比，铬-锰-氮和铬-锰-镍-氮钢强度较高，但由于钢中加入了较多的锰，对高温抗氧化性带来不利的影响，抗氧化性不如铬-镍系耐热钢。

(4)铁-锰-铝系。这类钢完全不含铬镍，以锰碳形成奥氏体基体，靠铝解决高温抗氧化问题。早在1934年德国首次发表了铁-锰-铝系铁角相图，发现了含碳的铁-锰-铝系存在一个稳定的奥氏体相之后，铁-锰-铝系奥氏体耐热钢的研究逐渐得到重视。20世纪60年代初，为了节约镍铬，中国开始了铁-锰-铝系耐热钢的研究，借鉴国外的经验，发展了Mn30A19型耐热钢，用于700～950℃的炉用构件。为了节约合金元素，针对950℃以下炉用耐热钢的要求，开发了性能优于Mn30A19型的6Mnl8A15型的耐热钢，合金元素节约了40%，改善了工艺性能。中国牌号6Mnl8A15Si2Ti为炉用钢，6Mnl8A15SiMoTi、6Mnl8A15SiMoV为阀门钢。2Mnl8A15SiMoTi(2Mnl8A15Si2Ti)为双相钢，可以生产钢管，用来代替1Crl8Ni9。在生产铁-锰-铝系钢变形材时，需经电渣重熔，以保证质量和成材率。这些牌号60～70年代在中国曾得到了应用和推广，后来由于镍铬资源易于得到，同时也因使用性能的局限性而使用较少。2100433B

奥氏体耐热钢(austenitic heat-resisting steel)

新型含铝奥氏体耐热钢是近十余年开发的新一代奥氏体耐热钢，具有优异高温持久蠕变性能和抗氧化性能，应用前景广阔，成为近年来高温耐热结构材料研究的热点方向。本书系统介绍了作者团队在新型含铝奥氏体耐热钢的成分优化设计、组织结构控制、高温性能调控等方面的研究成果，书中涉及的相关理论及工艺调控技术手段对含铝元素耐热结构材料及高温合金具有重要学术参考价值和应用指导意义。

《新型含铝奥氏体耐热钢材料》可供高等院校金属材料领域相关专业高年级本科生和研究生，以及专业技术人员学习参考。

绪论/1

第1章新型含铝奥氏体耐热钢的合金设计及强化/7

1.1新型含铝奥氏体耐热钢的研究背景7

1.2新型含铝奥氏体耐热钢的合金元素8

1.2.1合金元素作用机制8

1.2.2合金元素设计原则16

1.3新型含铝奥氏体耐热钢的强化机制19

1.3.1固溶强化20

1.3.2位错强化21

1.3.3晶界强化21

1.3.4第二相强化22

1.3.5细晶强化24

1.3.6弥散强化24

1.4新型含铝奥氏体耐热钢中的第二相25

1.4.1MC型碳化物25

1.4.2Laves相26

1.4.3B2-NiAl相27

1.4.4γ′相28

1.4.5σ相29

1.4.6M23C6相29

1.5本章小结与展望30

参考文献31

第2章新型含铝奥氏体耐热钢的冷变形组织及性能/33

2.1冷变形对金属显微组织的影响33

2.2EBSD技术及其原理概述35

2.2.1EBSD的工作原理36

2.2.2EBSD技术的应用36

2.3冷变形新型含铝奥氏体耐热钢的微观组织38

2.3.1冷变形AFA钢中的组织分布39

2.3.2冷变形AFA钢中的第二相46

2.3.3冷变形AFA钢中的位错48

2.4冷变形新型含铝奥氏体耐热钢的织构演变52

2.4.1AFA钢的冷轧变形织构53

2.4.2AFA钢的退火织构53

2.4.3影响轧制织构和再结晶织构的因素55

2.5冷变形新型含铝奥氏体耐热钢的室温力学性能57

2.5.1材料室温力学性能的测试方法57

2.5.2冷变形AFA钢的拉伸性能61

2.5.3冷变形AFA钢的维氏硬度65

2.5.4冷变形过程中的强化机理65

2.6冷变形新型含铝奥氏体耐热钢的高温蠕变行为68

2.6.1冷变形AFA钢的蠕变组织演化68

2.6.2冷变形AFA钢的蠕变变形机理70

2.6.3冷变形AFA钢的高温蠕变性能73

2.6.4蠕变过程中位错和第二相对AFA钢的强化74

2.7冷变形新型含铝奥氏体耐热钢的高温氧化行为75

2.7.1原始显微组织对AFA钢高温氧化行为的影响76

2.7.2AFA钢的高温氧化微观组织78

2.7.3AFA钢的高温氧化性能87

2.8本章小结与展望90

参考文献92

第3章新型含铝奥氏体耐热钢的热变形组织及性能/95

3.1热变形特点及其对组织和性能的影响96

3.1.1热变形的特点96

3.1.2热变形对组织和性能的影响97

3.1.3热变形的晶粒大小控制98

3.2奥氏体耐热钢高温变形机理101

3.3热变形新型含铝奥氏体耐热钢的微观组织103

3.3.1热变形AFA钢的微观组织104

3.3.2热轧退火AFA钢的微观组织118

3.4热变形新型含铝奥氏体耐热钢的织构128

3.4.1热轧变形织构的形成128

3.4.2再结晶织构的形成129

3.4.3影响织构形成的因素130

3.4.4热轧AFA钢的变形织构分析130

3.5热变形新型含铝奥氏体耐热钢的力学性能133

3.5.1热变形AFA钢的硬度分析133

3.5.2热变形AFA钢的室温拉伸性能135

3.6本章小结及展望139

参考文献140

第4章新型含铝奥氏体耐热钢的热处理组织及性能/142

4.1热处理知识介绍143

4.1.1钢的热处理原理143

4.1.2钢的热处理工艺145

4.2新型含铝奥氏体耐热钢的热处理显微组织151

4.3新型含铝奥氏体耐热钢的相组成演变特征156

4.3.1加热温度对AFA钢相组成的影响156

4.3.2冷却速度对AFA钢相组成的影响163

4.4新型含铝奥氏体耐热钢中第二相的析出演变167

4.4.1加热温度对第二相析出演变的影响167

4.4.2冷却速度对第二相析出演变的影响170

4.5热处理新型含铝奥氏体耐热钢的力学性能172

4.5.1AFA钢热处理后的硬度分析172

4.5.2AFA钢热处理后的拉伸性能173

4.5.3AFA钢热处理后的冲击韧性178

4.5.4AFA钢热处理后的高温蠕变性能179

4.6本章小结及展望185

参考文献186

第5章新型含铝奥氏体耐热钢的等温时效及持久蠕变行为/188

5.1新型含铝奥氏体耐热钢的等温时效显微组织189

5.2新型含铝奥氏体耐热钢等温时效过程的第二相193

5.2.1第二相的确定193

5.2.2等温时效过程中第二相的粗化195

5.3新型含铝奥氏体耐热钢时效后的高温持久蠕变行为197

5.3.1高温蠕变后AFA钢的显微组织197

5.3.2高温蠕变后AFA钢中的第二相199

5.3.3第二相的析出关系研究200

5.3.4高温持久蠕变行为203

5.3.5蠕变强化机制206

5.4应力对新型含铝奥氏体耐热钢高温持久蠕变行为的影响208

5.4.1不同应力下AFA钢的高温持久蠕变曲线208

5.4.2应力与稳态蠕变速率关系209

5.5本章小结与展望212

参考文献213

第6章新型含铝奥氏体耐热钢的未来展望/215

6.1新型含铝奥氏体耐热钢的合金成分215

6.2新型含铝奥氏体耐热钢的组织结构217

6.3新型含铝奥氏体耐热钢的高温性能218 2100433B

沉淀硬化奥氏体耐热钢碳化物沉淀硬化奥氏体耐热钢

以碳化物形成元素钒、铌和钼形成的MC和M23C6型碳化物作为强化相，使用温度650℃。为保证足够高的高温强度，必须有足够高的碳化物体积分数，故这类钢的碳含量应保持在0.4%左右。代表性的中国牌号为GH36，它是一种节镍型的Fe-13Cr-8Ni-8Mn钢，并含有强化元素钼、钒和铌。其中钼主要是起固溶强化作用，钼含量约为1.4%。钒和铌含量分别约为1.4%和0.4%，王要起沉淀强化作用。GH36钢中最主要的碳化物是Vc，其中溶有部分铌和钼，随钢中钒含量增加，钢的高温强度增加，VC析出量最多时(670~750℃)与最大硬度相符，其颗粒从几个nm到20nm。第二种碳化物是M23C6，其成分为(Cr，Fe，V，Mo)23C6复合碳化物，最高形成温度为900℃。钼的溶入促进了M23C6的强化效应。第三种碳化物为NbC溶有部分钒和钼，铌虽有固溶强化作用，但过量易生成一次粗大的NbC或Nb(C，N)夹杂物，不利于钢的强化。VC和M23C6只有在相当高温度下才能溶解，所以固溶温度在1120～1140℃保温80min。时效处理采用二次时效热处理制度，即650~670℃时效14～16h后升温到770～800℃时效14~20h，然后空冷。此时钢中主要强化相为1%左右的弥散分布的VC和3%左右颗粒稍大的M23C6以及0.3%左右的难溶解的NbC或Nb(C，N)。为限制NbC或Nb(C，N)出现，应控制低的氮含量和N3gN的碳含量和不太高的氮含量，氮含量增加不仅使钢的强度低，而且持久塑性也显著下降。为改善钢的性能，加入少量铝(约0.3%)以固定氮，减少Nb(C，N)夹杂物，可以更好发挥钒和铌的强化作用。同时加入微量镁(0.003%～0.005%)可强化晶界，提高钢的持久塑性。

此外，还有铁一铬一镍一钴基的碳化物沉淀硬化型耐热钢如美国的S-590(含有0.4%碳、21%铬、20%镍、20%钴、4%钨、4%钼、4%铌)，其沉淀强化相为NbC。另一类型是借温加工来促进碳化物沉淀强化的中国耐热钢G18B(含有0．4%碳、13%铬、13%镍、10%钴、2.5%钨、2%钼、3%铌)，其沉淀强化相亦为NbC。

沉淀硬化奥氏体耐热钢金属间化合物沉淀硬化奥氏体耐热钢

以金属间化合物γ’-Ni3(Ti，A1)作为主要沉淀强化相，用于温度在650～750℃甚至更高的温度运转的燃气轮机部件。由于加入大量铁素体型强化元素如钨、钼、钛、铝和铌等，为保证基体奥氏体组织的稳定性，加入了大量的镍，其基体根据镍含量不同可分为Fe-15Cr-25Ni、Fe-15Cr-35Ni等，加入钛和铝主要是为形成γ’-Ni3(Ti，A1)金属间化合物，以便经过时效处理产生沉淀强化。图为cr15Ni25钢加入钛和铝所形成的各种金属间化合物。其中能作为沉淀强化相的是溶有钛和铝的γ’-Ni3(Ti，A1)相，长时间后γ’-Ni3(Ti，A1)相会转变成η-Ni3Ti相而出现胞状沉淀组织，使沉淀强化效果消失。一般A1/Ti小于1，铝有稳定γ’-Ni3(Ti，A1)的作用。过量的铝又会形成Ni2A1Ti和Ni(A1，Ti)相，易聚集长大，不能作为沉淀强化相。这类钢中γ’相的体积分数不超过20%，因而限制了进一步提高钢高温强度。进一步合金化还单独或同时加入钨和钼以固溶强化来提高其高温强度和使用温度。钨和钼除有形成Laves相倾向外，还可能形成σ相和μ相，使钢失去组织稳定性，甚至造成脆化效应。通过调整成分或细化晶粒减轻σ相在晶界密集程度，是保证钢在高温长期使用安全的重要措施。钼能改善由钛引起的低塑性和缺口敏感性。钢中加入晶界强化元素硼、锆、铈、镁等，其中硼含量不宜过高，否则在晶界易形成硼化物低熔点共晶而产生热脆。这些微量元素可改善钢的持久塑性和强度，消除缺口敏感性。硅作为残留元素在钢中存在，当其含量在上限时易生成Ni14Ti9Si6的G相，消耗主要强化元素钛及奥氏体形成元素镍，且G相性脆，要严格控制其生成。由于这类钢的组织稳定性较差，γ’-Ni3(Ti，A1)易生成η-Ni3Ti的不利转变和微量脆性相析出倾向，限制了钢在较高温度下的强化，只能在650～750℃的中温范围使用。

Crl5Ni25钢加入钛和铝形成的各种金属间化合物