新型含铝奥氏体耐热钢材料

目前，可用于超超临界机组高温构件的材料主要有铁素体耐热钢、奥氏体耐热钢、镍基高温合金及氧化物弥散强化FeCrAl合金（ODS钢）等。铁素体耐热钢的热膨胀系数小，对热应力疲劳不敏感，600℃的高温性能良好，但随温度的进一步升高，其高温稳定性急剧下降，限制了其进一步的高温应用。镍基高温合金的价格昂贵，作为超超临界机组高温结构材料会大幅提高使用成本。ODS钢需要通过粉末冶金的方法制备来保证氧化物的弥散强化，成倍地提高了制造成本。传统奥氏体耐热钢的高温蠕变性能优良，但是由于较高的镍和铬含量，成本也相对较高。考虑抗氧化和抗腐蚀性能，前面提到的几种高温合金表面会形成氧化铬层，在蒸汽锅炉高温水汽、S、C的环境下加速氧化，导致材料早期失效。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，其可形成稳定的氧化铝层，在750～900℃的范围内具有优异的高温抗氧化性能，而且高温蠕变性能优异，具有广泛的应用前景，也是近年来高温耐热结构材料研究的热点方向。
本书系统介绍了著者团队在新型含铝奥氏体耐热钢的成分设计、组织控制、性能调控等方面的研究成果，对新型含铝奥氏体耐热钢的设计原则及调控手段提出了具有一定指导意义的见解。全书共分为6章。第1章介绍新型含铝奥氏体耐热钢的成分设计原则及强化机制，并对组织演变规律进行了综述；第2章详细介绍了新型含铝奥氏体耐热钢冷变形的组织及性能变化，重点对抗氧化性能进行了研究；第3章就新型含铝奥氏体耐热钢的热变形组织尤其是热变形织构演变及再结晶机制进行了介绍；第4章关注新型含铝奥氏体耐热钢的常规热处理技术，系统介绍热处理工艺对组织性能的影响；第5章重点关注新型含铝奥氏体耐热钢的高温持久服役性能，介绍了等温时效过程第二相的演变特征及高温持久蠕变行为；第6章介绍了新型含铝奥氏体耐热钢未来发展方向的展望。全书的撰写从合金成分设计入手，以高温持久服役性能评估结束，逐层递进，是耐热钢领域比较系统详细的一本学术著作。
本书第1～3章由高秋志、张海莲共同撰写，第4章由高秋志、屈福共同撰写，第5～6章由刘子昀、高秋志共同撰写，高秋志负责统稿。本书的出版得到了东北大学秦皇岛分校资源与材料学院和秦皇岛市道天高科技有限公司的大力支持，硕士研究生江琛琛、陆冰宜、商行、江骏东等在数据整理过程中也付出了努力，在此一并致以诚挚的谢意。
感谢国家自然科学基金钢铁联合研究基金重点项目（U1960204）、国家自然科学基金（51871042）、中央高校基本科研业务费（N2023026）的资助。
鉴于作者的水平有限，书中难免会有不足之处，敬请广大读者批评指正。

著者
2020年6月

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