变形高温合金的特性、分类及用途.doc

1、变形高温合金的特性、分类及用途(转载)作者: hurenchang 查看次数 : 25 发表时间: 2006/5/16 21:27 【去论坛讨论】因为有表格, 故看起来较乱, 可下载附件, .doc 文件.变形高温合金的特性、分类及用途高温合金是根据航空喷气发动机的需要而发展起来的一种金属材料，它可在 6001100的高温氧化和燃气腐蚀条件下，承受复杂应力，并长期可靠地工作。主要用于航空发动机的热端部件，也是航天火箭发动机、工业燃气轮机、能源和化工等工业的重要材料。在先进的航空发动机中，高温合金的用量占金属材料总用量的 40%60%。在先进工业国家，如美国，航空航天用高温合金占其总用量的 85

2、%左右。高温合金是一种兼有热稳定性和热强性的合金。热稳定性是指金属材料在高温下抗氧化或抗气体腐蚀的能力；而热强性是指金属材料在高温下抵抗塑性变形和断裂的能力。金属的热稳定性常用称重法来评定，在高温下金属单位时间、单位面积上的失重或增重越大，表示抗氧化性越差，即热稳定性越差。热强性的评定指标包括蠕变极限、持久强度、高温瞬时强度、高温疲劳强度等。蠕变极限表征在高温、长期载荷作用下，材料抵抗塑性变形的能力；持久强度表征在高温、长期载荷作用下，材料抵抗断裂的能力；高温瞬时强度（b 和 0.2）表征高温下材料在瞬时过载时抵抗塑性变形和断裂的能力；高温疲劳强度是指在规定循环次数下（一般为 107 次）不引

3、起断裂的应力。高温合金分为变形高温合金和铸造高温合金 。变形合金按基体元素的不同，可分为铁基变形高温合金、镍基变形高温合金和钴基变形高温合金，按合金的高温性能、成形特点及用途的不同，变形高温合金又可分为热稳定变形高温合金和热强变形高温合金。热稳定变形高温合金的特点是热稳定性很高，通常在固溶状态下使用，强度虽不高，但塑性很好，可顺利地进行深冲压，主要用于受力不大而工作温度很高的零件，例如燃烧室火焰筒及加力燃烧室等。热强变形高温合金的特点是热强度较高，通常在淬火、时效状态下使用，主要用于高温下承受大载荷及复杂应力的零件，例如涡轮叶片、涡轮盘等。我国的新标准规定，变形高温合金的牌号以汉语拼音字母“G

4、H ”后接四位阿拉伯数字来表示。 “GH”后第一位数字表示分类号，其中 1 表示固溶强化型铁基合金；2 表示时效强化型铁基合金；3 表示固溶强化型镍基合金；4 表示时效强化型镍基合金。 “GH”后第二、三、四位数字表示合金的编号。例如 GH2036，GH4033 等，其相应的旧牌号为 GH36， GH33 等。我国于 20 世纪 50 年代开始研制高温合金，到目前已有 40 多种变形高温合金。航空工业中常用的铁基、镍基变形高温合金的牌号、化学成分及使用温度，见表 1 和表 2。燃烧室用合金主要有 GH3030、GH3039、GH1140、GH3044 、GH1015、GH1016、GH22 、

5、GH163 、GH2302 、GH170 等。涡轮工作叶片大多采用时效强化型变形合金，如 GH4033、GH4037、GH4043、GH4049、GH151、GH143 、GH2130、GH2302、 GH738、GH118、GH220、GH710 等。涡轮盘材料大多采用铁- 镍基沉淀强化合金（750以下） ，如温度更高，则采用镍基合金或粉末涡轮盘材料。涡轮盘常用合金有 GH2036、GH4033、GH2132、GH2135、GH901、GH4133、GH761、GH698、GH710 等。表 1 常用铁基变形高温合金的牌号、化学成分及使用温度合金牌号 化学成分/（%） 使用温度C Cr Ni

6、 Mn W Mo Al Ti V B 其他 Al+Ti+Nb GH1015 0.08 1922 3439 1.5 4.85.8 2.53.2 0.01 Nb1.11.6 1.6 950GH1016 0.08 1922 3236 1.8 56 2.63.3 0.10.3 0.01 Nb0.9 1.4 1.4 950GH1040 0.12 15 17.5 2427 12 5.57.5 Nb0.10.2 600GH2036 0.340.4 11.513.5 79 7.5 8.5 1.11.4 0.12 1.251.55 Nb0.250.5 1.4 650GH2132 0.08 13.516 2427

7、 12 11.5 0.4 1.752.3 1.251.55 0.0010.01 2.2 700GH2136 0.06 1316 24.528.5 0.35 1.01.75 0.35 2.43.2 0.010.1 0.0050.025 3.0 700GH2135 0.06 1416 3336 0.4 1.72.2 1.72.2 2.02.8 2.12.5 0.015 Ce0.03 4.7 700750GH901 0.020.06 1114 4045 0.4 56.5 0.3 2.83.1 0.0010.02 3.2 750GH2130 0.8 1216 3540 0.5 56.5 1.42.2

8、2.43.2 0.02 Ce0.02 4.6 800GH2302 0.08 1216 3842 0.6 3.54.5 1.22.5 1.82.3 2.32.8 0.01 Zr0.05 4.6 800GH1140 0.060.12 2023 3540 0.7 0.41.8 2.02.5 0.20.6 0.71.2 Ce0.05 850GH761 0.020.07 1214 4245 2.83.2 1.41.9 1.41.85 3.253.65 0.01 Ce0.03 5.0 750GH907 0.010.02 37.6 0.05 0.2 1.53 0.006 Co13.4,Nb4.89 650表

9、 2 常用镍镍变形高温合金的牌号、化学成分及使用温度合金牌号 化学成分/（%） 使用温度C Cr Co W Mo Al Ti Fe Nb B 其他 GH3030 0.12 19.022.0 0.15 0.150.35 1.0 800GH4169 0.08 17.021.0 2.83.3 0.20.8 0.651.15 17.020.0 4.755.55 0.01 -253703GH3039 0.08 19.022.0 1.82.3 0.350.75 0.350.37 3.0 0.91.3 850GH3044 0.1 23.526.5 13.016.0 1.5 0.5 0.30.7 4.0 90

10、0GH3128 0.05 19.022.0 7.59.0 7.59.0 0.40.8 0.40.8 1.0 0.005 Zr0.04 Ce0.05 950GH4033 0.06 19.022.0 0.550.95 2.22.7 1.0 0.01 Ce0.01 700750GH4133 0.07 19.022.0 0.71.2 2.53.0 1.5 1.151.65 0.01 700750GH4037 0.1 13.016.0 5.07.0 2.04.0 1.72.3 1.82.3 0.5 0.02 V0.010.2 Ce0.02 800850GH4049 0.07 9.5 11.0 1.401

11、6.0 5.06.0 4.55.5 3.74.4 1.41.9 1.5 0.015 V0.20.5 Ce0.02 900GH141 0.060.12 18.020.0 10.012.0 9.010.5 1.41.8 3.03.5 5.0 0.0030.01 900GH151 0.050.11 9.510.0 15.016.5 6.07.5 2.53.1 5.76.2 0.7 1.952.35 0.0120.02 Zr0.030.05 Ce0.02 950GH118 0.20 14.016.0 13.515.5 3.05.0 4.55.0 3.54.5 1.0 0.010.2 Zr0.15 95

12、0GH738 0.030.1 18.021.0 12.015.0 3.55.0 1.21.6 2.753.25 2.0 0.0030.03 Zr0.020.08 815GH698 0.08 13.016.0 2.83.2 1.31.7 2.352.75 2.0 1.82.2 0.005 Ce0.005 550800GH220 0.08 9.012.0 14.015.0 5.06.5 5.07.0 3.94.8 2.22.9 3.0 0.02 V0.20.8 900950蠕变变形科技名词定义中文名称：蠕变变形 英文名称：creep deformation 定义：在恒定温度和低于材料屈服极限的恒定

13、应力下，随着时间的延长材料发生不可恢复的塑性变形。 应用学科：电力（一级学科）；热工自动化、电厂化学与金属（二级学科） 塑性变形科技名词定义中文名称：塑性变形 英文名称：plastic deformation 定义：岩体、土体受力产生的、力卸除后不能恢复的那部分变形。 应用学科：水利科技（一级学科） ；岩石力学、土力学、岩土工程（二级学科） ；土力学（水利）（三级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 百科名片塑性变形（Plastic Deformation），的定义是物质-包括流体及固体在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现

14、象。目录介绍 机理 影响 介绍 机理 影响 展开编 辑 本 段 介 绍材 料 在 外 力 作 用 下 产 生 而 在 外 力 去 除 后 不 能 恢 复 的 那 部 分 变 形 塑 性 变 形。 材 料 在 外 力 作 用 下 产 生 应 力 和 应 变 （ 即 变 形 ） 。 当 应 力 未 超 过 材 料 的 弹 性 极 限 时 ，产 生 的 变 形 在 外 力 去 除 后 全 部 消 除 ， 材 料 恢 复 原 状 ， 这 种 变 形 是 可 逆 的 弹 性 变 形 。 当 应力 超 过 材 料 的 弹 性 极 限 ， 则 产 生 的 变 形 在 外 力 去 除 后 不 能 全 部 恢

15、复 ， 而 残 留 一 部 分 变 形 ，材 料 不 能 恢 复 到 原 来 的 形 状 ， 这 种 残 留 的 变 形 是 不 可 逆 的 塑 性 变 形 。 在 锻 压 、 轧 制 、拔 制 等 加 工 过 程 中 ， 产 生 的 弹 性 变 形 比 塑 性 变 形 要 小 得 多 ， 通 常 忽 略 不 计 。 这 类 利 用 塑性 变 形 而 使 材 料 成 形 的 加 工 方 法 ， 统 称 为 塑 性 加 工 。 编 辑 本 段 机 理固 态 金 属 是 由 大 量 晶 粒 组 成 的 多 晶 体 ， 晶 粒 内 的 原 子 按 照 体 心 立 方 、 面 心 立 方 或紧 密 六

16、 方 等 方 式 排 列 成 有 规 则 的 空 间 结 构 。 由 于 多 种 原 因 ， 晶 粒 内 的 原 子 结 构 会 存在 各 种 缺 陷 。 原 塑 性 变 形子 排 列 的 线 性 参 差 称 为 位 错 。 由 于 位 错 的 存 在 ,晶 体 在 受 力 后 原 子 容 易 沿 位 错 线 运 动 ,降 低 晶 体 的 变 形 抗 力 。 通 过 位 错 运 动 的 传 递 ， 原 子 的 排 列 发 生 滑 移 和 孪 晶 （ 图 1） 。滑 移 是 一 部 分 晶 粒 沿 原 子 排 列 最 紧 密 的 平 面 和 方 向 滑 动 ， 很 多 原 子 平 面 的 滑 移

17、 形 成 滑 移带 ， 很 多 滑 移 带 集 合 起 来 就 成 为 可 见 的 变 形 。 孪 晶 是 晶 粒 一 部 分 相 对 于 一 定 的 晶 面 沿 一定 方 向 相 对 移 动 ， 这 个 晶 面 称 为 孪 晶 面 。 原 子 移 动 的 距 离 和 孪 晶 面 的 距 离 成 正 比 。 两 个孪 晶 面 之 间 的 原 子 排 列 方 向 改 变 ， 形 成 孪 晶 带 。 滑 移 和 孪 晶 是 低 温 时 晶 粒 内 塑 性 变 形 的两 种 基 本 方 式 。 多 晶 体 的 晶 粒 边 界 是 相 邻 晶 粒 原 子 结 构 的 过 渡 区 。 晶 粒 越 细 ，

18、 单 位 体积 中 的 晶 界 面 积 越 大 ， 有 利 于 晶 间 的 移 动 和 转 动 。 某 些 金 属 在 特 定 的 细 晶 结 构 条 件 下 ，通 过 晶 粒 边 界 变 形 可 以 发 生 高 达 300 3000 的 延 伸 率 而 不 破 裂 。 编 辑 本 段 影 响金 属 在 室 温 下 的 塑 性 变 形 ， 对 金 属 的 组 织 和 性 能 影 响 很 大 ， 常 会 出 现 加 工 硬 化 、 内应 力 和 各 向 异 性 等 现 象 。 加 工 硬 化塑 性 变 形 引 起 位 错 增 殖 ， 位 错 密 度 增 加 ， 不 同 方 向 的 位 错 发 塑

19、 性 变 形 力 学 原 理生 交 割 ， 位 错 的 运 动 受 到 阻 碍 ， 使 金 属 产 生 加 工 硬 化 。 加 工 硬 化 能 提 高 金 属 的 硬 度 、强 度 和 变 形 抗 力 ， 同 时 降 低 塑 性 ， 使 以 后 的 冷 态 变 形 困 难 。 内 应 力塑 性 变 形 在 金 属 体 内 的 分 布 是 不 均 匀 的 ， 所 以 外 力 去 除 后 ， 各 部 分 的 弹 性 恢 复 也 不会 完 全 一 样 ， 这 就 使 金 属 体 内 各 部 分 之 间 产 生 相 互 平 衡 的 内 应 力 ， 即 残 余 应 力 。 残余 应 力 降 低 零 件

20、的 尺 寸 稳 定 性 ， 增 大 应 力 腐 蚀 的 倾 向 。 各 向 异 性金 属 经 冷 态 塑 性 变 形 后 ， 晶 粒 内 部 出 现 滑 移 带 或 孪 晶 带 。 各 晶 粒 还 沿 变 形 方 向 伸 长和 扭 曲 。 当 变 形 量 很 大 (如 70 或 更 大 )而 且 是 沿 着 一 个 方 向 时 ， 晶 粒 内 原 子 排 列 的 位向 趋 向 一 致 ， 同 时 金 属 内 部 存 在 的 夹 杂 物 也 被 沿 变 形 方 向 拉 长 形 成 纤 维 组 织 ， 使 金 属 产生 各 向 异 性 。 沿 变 形 方 向 的 强 度 、 塑 性 和 韧 性 都

21、 比 横 向 的 高 。 当 金 属 在 热 态 下 变 形 ， 由于 发 生 了 再 结 晶 ， 晶 粒 的 取 向 会 不 同 程 度 地 偏 离 变 形 方 向 ， 但 夹 杂 物 拉 长 形 成 的 纤 维 方向 不 变 ， 金 属 仍 有 各 向 异 性 。 再 结 晶 和 回 复经 过 冷 变 形 的 金 属 ， 如 加 热 到 一 定 温 度 并 保 持 一 定 的 时 间 ， 原 子 的 激 活 能 增 加 到 足够 的 活 动 力 时 ， 便 会 出 现 新 的 晶 核 ， 并 成 长 为 新 的 晶 粒 ， 这 种 现 象 称 为 再 结 晶 。 经 过 再结 晶 处 理

22、后 ， 冷 变 形 引 起 的 晶 粒 畸 变 以 及 由 此 引 起 的 加 工 硬 化 、 残 余 应 力 等 都 会 完 全 消除 。 再 结 晶 温 度 通 常 以 经 一 小 时 保 温 完 成 再 结 晶 的 温 度 为 金 属 的 再 结 晶 温 度 。 各 种 金 属 的 再 结 晶 温度 ， 按 绝 对 温 度 (K)计 大 约 相 当 于 该 金 属 熔 点 的 40 50 。 低 碳 钢 的 再 结 晶 温 度 约460 。 当 变 形 程 度 较 小 时 ,在 再 结 晶 过 程 中 ， 尤 其 是 当 温 度 偏 高 时 ， 再 结 晶 的 晶 粒 特别 粗 大 。

23、因 此 如 要 晶 粒 细 小 ， 金 属 材 料 在 再 结 晶 处 理 前 会 有 较 大 的 变 形 量 。 再 结 晶 温 度 对 金 属 材 料 的 塑 性 加 工 非 常 重 要 。 在 再 结 晶 温 度 以 上 进 行 的 塑 性 加 工 和变 形 称 为 热 加 工 和 热 变 形 ； 在 再 结 晶 温 度 以 下 进 行 的 塑 性 加 工 和 变 形 称 为 冷 加 工 和 冷 变形 。 热 变 形 时 ， 金 属 材 料 在 变 形 过 程 中 不 断 地 发 生 再 结 晶 ， 不 引 起 加 工 硬 化 ， 假 如 缓 慢地 冷 却 ， 也 不 出 现 内 应 力

24、 。 回 复 冷 变 形 后 的 金 属 ， 当 加 热 到 稍 低 于 再 结 晶 温 度 时 ， 通 过 原 子 的 扩 散 会 减 少 晶 体 的 缺陷 ， 降 低 晶 体 的 畸 变 能 ， 从 而 减 小 内 应 力 ； 但 是 不 出 现 新 的 晶 粒 ， 金 属 仍 保 留 加 工 硬 化和 各 向 异 性 ， 这 就 是 金 属 的 回 复 。 这 样 的 热 处 理 称 为 去 应 力 退 火 。 变 形 量 和 塑 性塑 性 变 形 变 形 量 的 大 小 ， 常 依 变 形 方 式 的 不 同 用 不 同 的 指 标 来 表 示 。 有 的 用 坯 料 变形 前 后 截

25、 面 积 的 变 化 表 示 ,有 的 用 某 一 方 向 长 度 的 变 化 表 示 ,扭 转 时 用 转 角 的 大 小 表 示 。镦 粗 和 压 缩 的 变 形 量 在 工 程 上 常 用 压 缩 率 表 示 。 如 坯 料 原 始 高 H 0,镦 粗 后 高 H1（ 图2） ， 则 压 下 量 H H 0 H 1， 压 缩 率 为 公 式 1金 属 在 锻 压 过 程 中 所 能 承 受 的 变 形 量 有 一 定 的 限 值 。 金 属 能 承 受 较 大 的 变 形 量 而 不 破 裂的 性 能 称 为 塑 性 。 金 属 的 塑 性 可 由 实 验 测 定 (见 锻 造 性 能

26、试 验 )。 金 属 塑 性 的 好 坏 与 化学 成 分 、 内 部 组 织 结 构 、 变 形 温 度 和 速 度 、 变 形 方 式 等 因 素 有 关 。 纯 金 属 和 合 金 元 素 低的 金 属 （ 如 铝 、 紫 铜 、 低 碳 钢 等 ） 塑 性 好 ， 高 合 金 和 含 杂 质 多 的 金 属 塑 性 差 。 一 般 金 属在 低 温 时 塑 性 差 ， 高 温 时 塑 性 好 。 金 属 的 塑 性 还 与 变 形 方 式 有 关 ， 例 如 在 自 由 锻 镦粗 时 ， 坯 料 的 周 围 向 外 凸 出 ， 材 料 受 拉 应 力 ， 金 属 的 塑 性 低 ， 容

27、 易 开 裂 。 挤 压 时 ，坯 料 三 向 受 压 ， 金 属 的 塑 性 高 。 在 很 小 的 变 形 下 就 开 裂 的 金 属 称 为 脆 性 材 料 ， 如 铸铁 。 脆 性 材 料 通 常 不 宜 锻 压 加 工 。 变 形 力 在 锻 压 过 程 中 ， 坯 料 内 部 一 般 处 于 三 向 应 力 状 态 。 开 始 塑 性 变 形 的 应力 不 是 由 某 一 方 向 的 应 力 单 独 确 定 的 。 用 1、 2、 3 代 表 坯 料 内 任 意 一 点 单 元 体 上 三 个相 互 垂 直 方 向 的 主 应 力 (图 3)， 实 验 表 明 ， 如 要 这 个

28、单 元 体 发 生 塑 性 变 形 ， 则 三 个 主 应力 所 引 起 的 弹 性 畸 变 能 应 达 到 一 定 值 。 它 的 数 学 表 达 式 为 公 式 3式 中 Y 为 金 属 的 变 形 抗 力 ， 由 抗 拉 试 验 或 抗 压 试 验 测 定 。 上 式 表 示 金 属 坯 料 内 任 意 一点 开 始 塑 性 变 形 时 三 个 方 向 主 应 力 所 应 达 到 的 条 件 ， 称 为 屈 服 准 则 。 在 锻 压 过 程 中 ， 坯料 内 某 些 面 上 各 点 都 会 发 生 塑 性 变 形 ， 这 时 所 加 的 外 力 称 为 变 形 力 。 影 响 变 形

29、力 P 的 主 要 因 素 有 4 个 ， 即 公 式 2式 中 Y 为 金 属 的 静 载 变 形 抗 力 ,它 与 化 学 成 分 、 温 度 、 变 形 过 程 等 有 关 。 低 碳 钢 的 变 形抗 力 低 ， 高 合 金 钢 的 变 形 抗 力 高 ； 低 温 时 变 形 抗 力 高 ， 高 温 时 变 形 抗 力 低 ； 塑 性 变 形室 温 下 的 退 火 金 属 在 开 始 锻 压 时 变 形 抗 力 低 ， 经 过 变 形 产 生 加 工 硬 化 后 变 形 抗 力 增 高 。A 为 锻 件 加 力 方 向 的 横 截 面 积 。 1 为 应 变 速 率 系 数 。 在 慢 速 的 液 压 机 上 锻 压 时 ,1=1 1.5； 在 应 变 速 率 高 的 锻 锤 上 锻 压 时 ,1 埍 3。 2 为 多 余 功 系 数 ， 它 与 变 形 方 式有 关 ， 例 如 自 由 锻 时 坏 料 侧 表 面 不 受 约 束 , 2=1 2.5； 模 锻 和 挤 压 时 ， 金 属 的 流 动 受模 膛 约 束 ， 2=2.5 6。 另 外 ,模 膛 表 面 的 粗 糙 度 和 润 滑 状 况 也 有 影 响 ， 锻 模 表 面 光 洁 且有 良 好 的 润 滑 时 2 较 小 ； 模 具 表 面 粗 糙 且 没 有 润 滑 时 ， 2 较 大 。