高温合金材料学上 应用基础理论 上PDF电子书下载

第一章 高温合金概况 3

1.1高温合金的涵义 3

1.2高温合金的应用范围 4

1.3高温合金的分类 6

1.3.1按合金基体元素分类 6

1.3.2按合金的强化类型分类 6

1.3.3按合金的成型工艺分类 6

1.3.4按合金的使用特性分类 7

1.3.5按合金用途分类 7

1.4我国高温合金牌号表示法 7

1.5高温合金的发展 8

1.5.1中国高温合金的发展 8

1.5.2英国高温合金的发展 14

1.5.3美国高温合金的发展 14

1.5.4前苏联高温合金的发展 15

1.6结语 16

参考文献 16

第二章 高温合金体系 18

2.1中国的高温合金体系 18

2.1.1铁基高温合金是我国高温合金体系的一大特色 18

2.1.2独创的镍基高温合金成为我国高温合金体系中一大闪光点 20

2.1.3通过对仿制合金进行成分调整发展一系列独具特点的新合金 21

2.1.4低偏析高温合金在我国高温合金系列中独具一格 22

2.1.5钴基合金数量很少，中国没有专门研制钴基高温合金 22

2.2英国的高温合金体系 39

2.2.1变形高温合金体系 39

2.2.2铸造高温合金 39

2.3美国的高温合金体系 46

2.3.1公司各自发展，没有全国统一的高温合金牌号 46

2.3.2使用大量难熔金属元素发展高温强度优异的高温合金牌号 46

2.3.3利用γ″相沉淀强化发展中温强度优异的高温合金 60

2.3.4用相计算方法改进老合金发展组织稳定的新合金 60

2.3.5广泛发展铸造高温合金系列 60

2.3.6含钴合金和钴基合金数量可观 61

2.3.7发展了以Fe-Ni-Co为基低膨胀高温合金系列 61

2.3.8粉末高温合金系列首先研制成功 61

2.3.9定向凝固高温合金锦上添花 62

2.4前苏联的高温合金体系 62

2.4.1用大量W+Mo进行固溶强化 62

2.4.2很少用Co进行固溶强化，几乎没有自己发展的钴基高温合金 63

2.4.3用少量钒进行合金化 63

2.4.4不用昂贵稀缺的钽进行合金化 63

2.4.5用稀土元素Ce进行微合金化 63

2.5结语 73

参考文献 73

高温合金材料学一应用基础理论（第二篇～第六篇）内容提要 75

第三章 高温合金的固溶强化及合金元素的作用 81

3.1固溶强化机理 81

3.1.1克服晶格畸变引起的长程内应力场所需流变应力 81

3.1.2克服弹性模量差引起的短程应力场所需流变应力 83

3.1.3克服溶质原子非均匀分布所需流变应力 84

3.1.4克服短程有序原子区所需流变应力 85

3.1.5高温固溶强化 85

3.1.6晶界对强化的作用 87

3.2合金元素的作用 89

32.1镍 89

3.2.2钴 90

3.2.3铁 92

3.2.4铬 92

3.2.5钨 95

3.2.6钼 96

3.2.7铌 97

3.2.8钽 97

3.2.9铼 101

3.2.10钒 101

3.2.11钌 102

3.2.12多种元素综合固溶强化 102

3.3结语 103

参考文献 103

第四章 高温合金的沉淀强化及合金元素的作用 106

4.1沉淀强化机理 106

4.1.1共格应变强化机制 106

4.1.2Orowan绕过机制 109

4.1.3位错切割有序颗粒机制 111

4.1.4位错攀移机制 116

4.1.5沉淀强化机理的实际应用 118

4.2合金元素的作用 123

4.2.1铝 123

4.2.2钛 125

4.2.3Al+Ti之和和Ti/Al之比的影响 126

4.2.4铌 128

4.2.5钽 130

4.2.6铪 130

4.2.7多种元素综合进行沉淀强化 133

4.3结语 134

参考文献 134

第五章 晶界强韧化与微合金化元素的作用 136

5.1晶界强韧化原理 136

5.1.1晶界结构 136

5.1.2晶界在高温应力作用下的行为 136

5.1.3溶质原子偏析 137

5.1.4微量元素对晶界强韧化的作用机理 140

5.2微合金化元素在高温合金中的作用 143

5.2.1硼 143

5.2.2碳 148

5.2.3镁 150

5.2.4锆 151

5.2.5铪 152

5.2.6钙 153

5.2.7稀土元素 155

5.2.8磷 159

5.2.9微合金化元素综合效应 161

5.3结语 162

参考文献 162

第六章 杂质元素的有害作用及其机理 168

6.1高温合金中杂质元素的来源 168

6.1.1炼钢用原材料带入的杂质元素 168

6.1.2熔炼和铸造过程中带进的杂质元素 170

6.2杂质元素的有害作用机理 170

6.2.1偏聚于晶界，降低晶界结合力 170

6.2.2偏聚于晶界，形成低熔点化合物，促进晶界有害相析出 171

6.2.3增加凝固偏析，影响凝固过程，促进元素偏析和有害相析出 172

6.2.4形成夹杂物或溶解于γ固溶体产生脆性 173

6.3杂质元素的有害作用 173

6.3.1硅 173

6.3.2硫 178

6.3.3磷 181

6.3.4锰 184

6.3.5金属和类金属杂质 184

6.3.6残余气体 187

6.4有害杂质元素的控制 192

6.4.1有害杂质元素的含量要求愈来愈低控制的元素愈来愈多 192

6.4.2有害杂质元素的生产控制 194

6.5结语 195

参考文献 195

第七章 工艺强韧化及其机理 198

7.1采用定向凝固工艺制备柱晶和单晶高温合金 198

7.1.1等轴晶高温合金的蠕变断裂 198

7.1.2柱晶和单晶高温合金的制备原理 199

7.1.3定向凝固和单晶高温合金优异的强度与塑性 204

7.1.4定向柱晶和单晶合金的发展 207

7.2控制液态合金冷却速率制备粉末高温合金 208

7.2.1传统铸锻工艺引起严重偏析 208

7.2.2粉末高温合金的原理与特点 209

7.2.3粉末高温合金的发展 211

7.3喷射成型制备高温合金涡轮盘 212

7.3.1喷射成型的原理与特点 212

7.3.2喷射成型高温合金的发展 214

7.4快速凝固工艺制备性能更加优异的强韧化高温合金 219

7.5控制凝固过程形核率制备细晶铸造高温合金 222

7.5.1细晶铸造工艺 222

7.5.2细晶铸造工艺的应用 224

7.6利用机械合金化方法制备弥散强化高温合金 227

7.6.1弥散强化高温合金的特点 227

7.6.2弥散强化高温合金的制法 229

7.6.3ODS高温合金的发展 231

7.7采用形变热处理使变形高温合金强韧化 231

7.7.1低温形变热处理 232

7.7.2中温形变热处理 233

7.7.3高温形变热处理 235

7.7.4形变热处理的发展与应用 239

7.8控制热处理参数形成弯曲晶界 239

7.8.1弯曲晶界的热处理工艺及弯晶形成机理 240

7.8.2弯曲晶界对高温合金力学性能的影响 245

7.8.3弯曲晶界组织改善高温合金力学性能的机理 248

7.9表面强韧化处理 250

7.9.1机加工引起表面不完整 250

7.9.2喷丸处理提高疲劳强度 251

7.9.3细化表层晶粒改善综合性能 252

7.9.4用高能束对表面进行改性 253

7.10结语 255

参考文献 255

第八章 高温合金中的相变 263

8.1凝固过程中发生的相变 263

8.1.1L→γ相变 263

8.1.2L→（γ+γ′）共晶反应 264

8.1.3L→MC相变或（γ+MC）共晶反应 265

8.1.4L→M7C3,M23M6，M6C相变或（γ+M23C6）共晶反应 266

8.1.5L→（γ+M3B2）共晶反应 267

8.1.6L→（γ+Laves）共晶反应 268

8.1.7L→Y相变 269

8.1.8L→Y相变 270

8.1.9L→δNi5Hf或Ni5Zr相变或（γ+Ni5Hf）共晶反应 272

8.1.10L→μ相或σ相转变 272

8.1.11L→Z相转变 273

8.1.12L→β相和RuAl相 274

8.1.13L→α-Cr相变 274

8.2沉淀析出反应 274

8.2.1γ′和γ″相的析出 275

8.2.2NiAl、Ni2AlTi、Ni3Ti和Ni2Nb的沉淀析出 277

8.2.3碳化物和硼化物的析出 281

8.2.4硫化物、硅化物和氮化物 284

8.2.5拓扑密排相的析出 286

8.2.6α或α2相的析出 289

8.2.7时间-温度-相转变曲线 289

8.2.8成分相区图 290

8.3主要强化相γ′和γ″发生的相变 291

8.3.1γ′→η相变 292

8.3.2γ″→δ相变 292

8.3.3γ′中沉淀析出γ相 292

8.3.4γ″中沉淀析出β-NiAl相 293

8.4碳化物退化反应 295

8.4.1MC退化反应 295

8.4.2M7C3退化反应 299

8.4.3M23C6的退化反应 299

8.4.4M6C退化反应 300

8.5马氏体相变 302

8.6结语 304

参考文献 305

第九章 高温合金中相的鉴定 309

9.1X射线衍射分析 309

9.11粉末法 309

9.1.2衍射仪法 316

9.2金相法分析 318

9.2.1金相试样抛光状态下的相鉴定 318

9.2.2用特殊腐蚀液进行相鉴定 320

9.3TEM与选区电子衍射分析 325

9.3.1晶界相的鉴定 325

9.3.2微量相的鉴定 328

9.4扫描电镜与能谱分析 329

9.5结语 331

参考文献 331

第十章 高温合金中的析出相及其作用 332

10.1几何密排相 332

10.1.1γ′-Ni3Al相 332

10.1.2γ"-NixNb相 339

10.1.3η-Ni3Ti相 343

10.1.4β-NiAl相 345

10.1.5α-Ni2AlTi相 346

10.1.6δ-Ni3Nb相 347

10.1.7ε和ε"相 351

10.2拓扑密排相 353

102.1σ相 353

10.2.2Laves相 358

10.2.3μ相 360

10.2.4x相、P相、R相和π相 362

10.2.5新发现的6个TCP相 362

10.3间隙相 363

10.3.1碳化物 363

10.3.2M3B2硼化物 375

10.3.3氮化物 377

10.4其他相 378

10.4.1硅化物 378

10.4.2硫化物 378

10.4.3α-Cr相 379

10.5结语 380

参考文献 380

第十一章 高温合金的蠕变 389

11.1蠕变现象 389

11.2第一阶段蠕变规律及其机理 393

11.2.1对数蠕变 393

11.2.2安德瑞德蠕变 394

11.2.3适于高温合金第一阶段蠕变的时间律 395

11.3第二阶段蠕变规律及其机理 399

11.3.1应力的影响 399

11.3.2温度的影响 400

11.3.3晶体取向对稳态蠕变速率的影响 402

11.3.4蠕变方程与蠕变机理 405

11.3.5蠕变阻力 412

11.4第三阶段蠕变规律及机理 421

11.5蠕变断裂行为及机理 426

11.5.1蠕变断裂行为与断口特征 426

11.5.2蠕变断裂时间与稳态蠕变速率的关系 430

11.5.3蠕变断裂时间与应力的关系 433

11.5.4蠕变断裂时间与温度的关系 433

11.5.5蠕变断裂时间的外推 435

11.6扩散蠕变 442

11.7蠕变裂纹的扩展 443

11.7.1裂纹扩展曲线 444

11.7.2低延性合金 445

11.7.3高延性合金 449

11.8结语 451

参考文献 451

第十二章 高温合金的疲劳 456

12.1疲劳现象与疲劳参数 456

12.1.1疲劳现象 456

12.1.2疲劳参数 457

12.2高温合金的高周疲劳 463

12.2.1高周疲劳寿命、疲劳强度与疲劳极限 465

12.2.2影响疲劳寿命的工程因素 466

12.2.3影响疲劳的冶金因素 471

12.3高温合金的低周疲劳 475

12.3.1高温合金的低周疲劳寿命行为 476

12.3.2高温合金低周疲劳的循环应力响应行为 486

12.4疲劳裂纹的形核、扩展与断裂 494

12.4.1疲劳变形的特点与组织结构的变化 494

12.4.2疲劳裂纹的形核 500

12.4.3疲劳裂纹扩展 504

12.4.4疲劳裂纹扩展速率da／dN 507

12.4.5短裂纹疲劳扩展 516

12.4.6疲劳断裂 517

12.5结语 520

参考文献 520

第十三章 高温合金的蠕变、疲劳和环境损伤的交互作用 524

13.1暴露环境对高温合金蠕变断裂性能的影响 524

13.1.1环境损伤的机理 524

13.1.2暴露环境对铸造镍基高温合金的影响 525

13.2蠕变-环境交互作用 529

13.2.1环境中氧对蠕变性能的影响 529

13.2.2热腐蚀环境对蠕变性能的影响 531

13.3疲劳-环境交互作用 539

13.3.1空气环境对疲劳性能的影响 540

13.3.2热腐蚀环境对疲劳性能的影响 541

13.3.3其它环境对疲劳性能的影响 542

13.4蠕变-疲劳交互作用 543

13.4.1循环蠕变 544

13.4.2蠕变-疲劳交互作用的累积损伤法则 556

13.4.3涡轮盘合金的蠕变-低周疲劳交互作用及寿命估算 559

13.4.4GH3030和GH34合金蠕变-疲劳交互作用的非线性累积损伤寿命估算 564

13.4.5断裂特征图及其寿命预测公式 566

13.4.6应变能区分法（SEP）及其数值方法（SEP-NCM）寿命预测程序 568

13.4.7频率修正的Coffin-Manson方程 569

13.4.8应变范围分区法 570

13.5蠕变-疲劳-环境交互作用 572

13.6结语 574

参考文献 574

第十四章 高温合金的氧化 579

14.1高温合金高温氧化热力学 579

14.1.1高温合金氧化的自由能判据 579

14.1.2高温合金氧化的热力学分析 580

14.2高温合金高温氧化动力学 587

14.2.1高温合金氧化动力学规律 587

14.2.2高温合金氧化动力学的测试与应用 594

14.2.3用多元线性回归法预测镍基高温合金的抗氧化性 596

14.3不同类型高温合金的氧化特点 599

14.3.1铁基高温合金 600

14.3.2镍基高温合金 603

14.3.3钴基高温合金 612

14.4高温合金的广义氧化 618

14.41高温碳化 618

14.4.2高温硫化 619

14.4.3高温氮化 619

14.44卤化 619

14.5结语 619

参考文献 620

第十五章 高温合金的热腐蚀 622

15.1热腐蚀现象 622

15.2热腐蚀机理 623

15.2.1酸碱熔融模型 623

15.2.2硫化-氧化机理模型 626

15.2.3电化学模型 627

15.2.4低温热腐蚀 629

15.3热腐蚀的影响因素 631

15.3.1环境对热腐蚀的影响 631

15.3.2合金元素对热腐蚀的影响 631

15.4热腐蚀试验方法 632

15.4.1坩埚试验法 632

15.4.2涂盐试验法 633

15.4.3电化学试验法 634

15.4.4燃烧装置试验法 634

15.5镍基高温合金的高温热腐蚀 636

15.5.1镍基铸造高温合金K435的高温热腐蚀行为 636

15.5.2五种镍基合金的高温抗热腐蚀性 642

15.6Ni3Al及CoCrAlY涂层的低温热腐蚀 649

15.6.1低温热腐蚀试验 650

15.6.2低温热腐蚀行为及机理 650

15.7NiAl基金属间化合物在LiCl-Li20熔盐中的热腐蚀 652

15.7.1腐蚀动力学 653

15.7.2腐蚀层的组织结构 653

15.8结语 661

参考文献 661

第十六章 高温合金的防护 664

16.1防护涂层的发展 664

16.2第一代涂层——简单铝化物涂层 666

16.2.1低活性渗铝 666

16.2.2高活性渗铝 666

16.2.3气相渗铝 672

16.3第二代涂层——多元铝化物涂层 673

16.3.1Cr-Al涂层 673

16.3.2Si-Al涂层 673

16.3.3Pt-Al涂层 676

16.3.4Co-Al涂层 677

16.3.5NiCr-CrAl涂层 677

16.3.6其它涂层 678

16.4第三代涂层——MCrAlY包覆涂层 678

16.4.1MCrAlY涂层的结构与性能 678

16.4.2MCrAlY涂层在镍基铸造高温合金的应用 679

164.3扩散阻挡层 682

16.4.4智能涂层 685

16.5第四代涂层——热障涂层 685

16.5.1热障涂层系统 685

16.5.2陶瓷面层成份的选择 686

16.5.3热障涂层的发展 686

16.5.4热障涂层的应用 687

16.6纳米晶涂层 688

16.6.1纳米晶涂层的结构特征 688

16.6.2纳米晶涂层的抗氧化性能 688

16.6.3纳米晶涂层改善抗氧化性的机理 691

16.7涂层失效机理 692

16.7.1热扩散涂层的退化与失效 692

16.7.2热障涂层的失效 692

16.8结语 693

参考文献 693

第十七章 高温合金的成分确定 699

17.1高温合金的仿制 699

17.1.1中国第一个高温合金的诞生 700

17.1.2铸造钴基高温合金K6384的仿制 700

17.2高温合金的试制 702

17.21成分相同，工艺创新 703

17.2.2添加微量元素改善性能 704

17.3改造老合金发展新合金 704

17.3.1改变制备工艺、调整合金成分 705

17.3.2把杂质元素变为合金元素并进行微合金化 705

17.3.3增加主要强化元素含量，改善力学性能 708

17.3.4利用电子空穴数计算调整成分 708

17.4高温合金的研制 709

17.4.1以力学性能指标为主研制高温合金 709

17.4.2以工艺性能指标为主研制高温合金 710

17.5结语 711

参考文献 712

第十八章 高温合金的设计 714

18.1电子空穴理论与相计算 714

18.11电子空穴数 715

18.1.2电子空穴数与拓扑密排相 716

18.1.3电子空穴数与高温合金 717

18.1.4电子空穴理论在高温合金的实际应用 718

18.2d电子合金理论与新相计算 721

18.2.1d电子合金理论简介 721

18.2.2新相计算法（NewPHACOMP） 724

18.2.3应用新相计算法预测TCP相 725

18.2.4新相计算法用于合金设计 727

18.2.5用d电子概念设计和发展高强度抗热腐蚀定向柱晶和单晶镍基高温合金 730

18.3多元线性回归和高温合金设计 733

18.3.1多元线性回归方法设计的思路 733

18.3.2设计合金 733

18.4人工神经网络与高温合金设计 734

18.4.1神经网络简介 734

18.2人工神经网络模型 735

18.4.3神经网络在材料设计和优化中的应用 736

18.5微量元素C、B、Hf对抗热腐蚀铸造镍基高温合金性能影响——人工神经网络和d电子理论的应用 739

18.5.1合金性能预测 739

18.5.2预测结果和讨论 746

18.5.3试验合金的力学性能和相稳定性 748

18.6结语 752

参考文献 752

郭建亭研究员的主要科研实践与活动 759

郭建亭研究员历年发表的主要学术论文题录 783