緒論/1



第1章新型含鋁奧氏體耐熱鋼的合金設計及強化/7

1.1新型含鋁奧氏體耐熱鋼的研究背景7

1.2新型含鋁奧氏體耐熱鋼素8

1.2.素作用機制8

1.2.素設計原則16

1.3新型含鋁奧氏體耐熱鋼的強化機制19

1.3.1固溶強化20

1.3.2位錯強化21

1.3.3晶界強化21

1.3.4第二相強化22

1.3.5細晶強化24

1.3.6彌散強化24

1.4新型含鋁奧氏體耐熱鋼中的第二相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本章小結與展望30

參考文獻31



第2章新型含鋁奧氏體耐熱鋼的冷變形組織及性能/33

2.1冷變形對金屬顯微組織的影響33

2.2EBSD技術及其原理概述35

2.2.1EBSD的工作原理36

2.2.2EBSD技術的應用36

2.3冷變形新型含鋁奧氏體耐熱鋼的微觀組織38

2.3.1冷變形AFA鋼中的組織分布39

2.3.2冷變形AFA鋼中的第二相46

2.3.3冷變形AFA鋼中的位錯48

2.4冷變形新型含鋁奧氏體耐熱鋼的織構演變52

2.4.1AFA鋼的冷軋變形織構53

2.4.2AFA鋼的退火織構53

2.4.3影響軋制織構和再結晶織構的因素55

2.5冷變形新型含鋁奧氏體耐熱鋼的室溫力學性能57

2.5.1材料室溫力學性能的測試方法57

2.5.2冷變形AFA鋼的拉伸性能61

2.5.3冷變形AFA鋼的維氏硬度65

2.5.4冷變形過程中的強化機理65

2.6冷變形新型含鋁奧氏體耐熱鋼的高溫蠕變行為68

2.6.1冷變形AFA鋼的蠕變組織演化68

2.6.2冷變形AFA鋼的蠕變變形機理70

2.6.3冷變形AFA鋼的高溫蠕變性能73

2.6.4蠕變過程中位錯和第二相對AFA鋼的強化74

2.7冷變形新型含鋁奧氏體耐熱鋼的高溫氧化行為75

2.7.1原始顯微組織對AFA鋼高溫氧化行為的影響76

2.7.2AFA鋼的高溫氧化微觀組織78

2.7.3AFA鋼的高溫氧化性能87

2.8本章小結與展望90

參考文獻92



第3章新型含鋁奧氏體耐熱鋼的熱變形組織及性能/95

3.1熱變形特點及其對組織和性能的影響96

3.1.1熱變形的特點96

3.1.2熱變形對組織和性能的影響97

3.1.3熱變形的晶粒大小控制98

3.2奧氏體耐熱鋼高溫變形機理101

3.3熱變形新型含鋁奧氏體耐熱鋼的微觀組織103

3.3.1熱變形AFA鋼的微觀組織104

3.3.2熱軋退火AFA鋼的微觀組織118

3.4熱變形新型含鋁奧氏體耐熱鋼的織構128

3.4.1熱軋變形織構的形成128

3.4.2再結晶織構的形成129

3.4.3影響織構形成的因素130

3.4.4熱軋AFA鋼的變形織構分析130

3.5熱變形新型含鋁奧氏體耐熱鋼的力學性能133

3.5.1熱變形AFA鋼的硬度分析133

3.5.2熱變形AFA鋼的室溫拉伸性能135

3.6本章小結及展望139

參考文獻140



第4章新型含鋁奧氏體耐熱鋼的熱處理組織及性能/142

4.1熱處理知識介紹143

4.1.1鋼的熱處理原理143

4.1.2鋼的熱處理工藝145

4.2新型含鋁奧氏體耐熱鋼的熱處理顯微組織151

4.3新型含鋁奧氏體耐熱鋼的相組成演變特征156

4.3.1加熱溫度對AFA鋼相組成的影響156

4.3.2冷卻速度對AFA鋼相組成的影響163

4.4新型含鋁奧氏體耐熱鋼中第二相的析出演變167

4.4.1加熱溫度對第二相析出演變的影響167

4.4.2冷卻速度對第二相析出演變的影響170

4.5熱處理新型含鋁奧氏體耐熱鋼的力學性能172

4.5.1AFA鋼熱處理後的硬度分析172

4.5.2AFA鋼熱處理後的拉伸性能173

4.5.3AFA鋼熱處理後的衝擊韌性178

4.5.4AFA鋼熱處理後的高溫蠕變性能179

4.6本章小結及展望185

參考文獻186



第5章新型含鋁奧氏體耐熱鋼的等溫時效及持久蠕變行為/188

5.1新型含鋁奧氏體耐熱鋼的等溫時效顯微組織189

5.2新型含鋁奧氏體耐熱鋼等溫時效過程的第二相193

5.2.1第二相的確定193

5.2.2等溫時效過程中第二相的粗化195

5.3新型含鋁奧氏體耐熱鋼時效後的高溫持久蠕變行為197

5.3.1高溫蠕變後AFA鋼的顯微組織197

5.3.2高溫蠕變後AFA鋼中的第二相199

5.3.3第二相的析出關繫研究200

5.3.4高溫持久蠕變行為203

5.3.5蠕變強化機制206

5.4應力對新型含鋁奧氏體耐熱鋼高溫持久蠕變行為的影響208

5.4.1不同應力下AFA鋼的高溫持久蠕變曲線208

5.4.2應力與穩態蠕變速率關繫209

5.5本章小結與展望212

參考文獻213



第6章新型含鋁奧氏體耐熱鋼的未來展望/215

6.1新型含鋁奧氏體耐熱鋼的合金成分215

6.2新型含鋁奧氏體耐熱鋼的組織結構217

6.3新型含鋁奧氏體耐熱鋼的高溫性能218

目前，可用於超超臨界機組高溫構件的材料主要有鐵素體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼、鎳基高溫合金及氧化物彌散強化FeCrAl合金（ODS鋼）等。鐵素體耐熱鋼的熱膨脹繫數小，對熱應力疲勞不敏感，600℃的高溫性能良好，但隨溫度的進一步升高，其高溫穩定性急劇下降，限制了其進一步的高溫應用。鎳基高溫合金的價格昂貴，作為超超臨界機組高溫結構材料會大幅提高使用成本。ODS鋼需要通過粉末冶金的方法制備來保證氧化物的彌散強化，成倍地提高了制造成本。傳統奧氏體耐熱鋼的高溫蠕變性能優良，但是由於較高的鎳和鉻含量，成本也相對較高。考慮抗氧化和抗腐蝕性能，前面提到的幾種高溫合金表面會形成氧化鉻層，在蒸汽鍋爐高溫水汽、S、C的環境下加速氧化，導致材料早期失效。新型含鋁奧氏體耐熱鋼是近十餘年開發的新一代奧氏體耐熱鋼，其可形成穩定的氧化鋁層，在750～900℃的範圍內具有優異的高溫抗氧化性能，而且高溫蠕變性能優異，具有廣泛的應用前景，也是近年來高溫耐熱結構材料研究的熱點方向。

本書繫統介紹了著者團隊在新型含鋁奧氏體耐熱鋼的成分設計、組織控制、性能調控等方面的研究成果，對新型含鋁奧氏體耐熱鋼的設計原則及調控手段提出了具有一定指導意義的見解。全書共分為6章。第1章介紹新型含鋁奧氏體耐熱鋼的成分設計原則及強化機制，並對組織演變規律進行了綜述；第2章詳細介紹了新型含鋁奧氏體耐熱鋼冷變形的組織及性能變化，重點對抗氧化性能進行了研究；第3章就新型含鋁奧氏體耐熱鋼的熱變形組織尤其是熱變形織構演變及再結晶機制進行了介紹；第4章關注新型含鋁奧氏體耐熱鋼的常規熱處理技術，繫統介紹熱處理工藝對組織性能的影響；第5章重點關注新型含鋁奧氏體耐熱鋼的高溫持久服役性能，介紹了等溫時效過程第二相的演變特征及高溫持久蠕變行為；第6章介紹了新型含鋁奧氏體耐熱鋼未來發展方向的展望。全書的撰寫從合金成分設計入手，以高溫持久服役性能評估結束，逐層遞進，是耐熱鋼領域比較繫統詳細的一本學術著作。

本書第1～3章由高秋志、張海蓮共同撰寫，第4章由高秋志、屈福共同撰寫，第5～6章由劉子昀、高秋志共同撰寫，高秋志負責統稿。本書的出版得到了東北大學秦皇島分校資源與材料學院和秦皇島市道天高科技有限公司的大力支持，碩士研究生江琛琛、陸冰宜、商行、江駿東等在數據整理過程中也付出了努力，在此一並致以誠摯的謝意。

感謝國家自然科學基金鋼鐵聯合研究基金重點項目（U1960204）、國家自然科學基金（51871042）、中央高校基本科研業務費（N2023026）的資助。

鋻於作者的水平有限，書中難免會有不足之處，敬請廣大讀者批評指正。



著者

2020年6月