耐熱鋼の破壊モードと補強方法

I.耐熱鋼の主な故障モード

1酸化と高温腐食障害

• メカニズム:
  高温では,金属原子は酸素などの活性元素と反応し,酸化フィルム (例えばFeO,Fe2O3) を形成する.酸化フィルムが緩いで,簡単に剥がれる場合,媒体の継続的な侵入を防ぐことはできません壁の厚さや強度が低下したため,材料の継続的な消費と最終的な故障につながります.
  環境に S や Cl のような元素 (硫黄を含む煙ガスや塩化物など) が存在する場合高温腐食硫化物 (FeS) や塩化物 (FeCl3) は低溶融点で揮発性があり,腐食プロセスを加速します.
• 典型的な事例: ボイラー の 超 熱 管 が 硫黄 を 含ん で いる 煙 ガス に 供給 さ れる 時,表面 に は FeS と FeO の ゆるい 混合 層 が 形成 さ れ ます.剥がれ た 後,管 の 壁 は 迅速 に 薄れ,最終的に 破裂 し ます.

2クリープ・フェイラブル

• メカニズム:
  高温では原子の拡散能力が向上し 物質内の脱位がゆっくりと移動し 粒子の境界が滑り 穴が広がりますマクロスコープ的な変形 (長縮や膨張など) を引き起こします変形が臨界値 (通常は1%~5%) を超えると,裂け目が発生し,骨折へと広がります.
  クリープ障害の特徴は,割れ表面が粒間骨折(粒の境界線は弱いリンクで,空洞形成に易い) 変形は不可逆です.
• 典型的な事例: 蒸気タービンボルトは高温と高圧下で長時間使用され,スリップにより過剰に長くなってシールし,破裂さえできない.

3熱疲労障害

• メカニズム:
  温度変化の間,内部材料や隣接する部品 (シェルやパイプなど) の間の熱膨張係数の不一致は,周期的に交互的な熱ストレスにつながります..材料の疲労限界を超えると,表面や欠陥で微細な亀裂が発生し,徐々に貫通した亀裂へと拡大します.
  熱疲労裂けは主に網状または半径粒子に沿ったり粒子を通ったり広がる (材料の強さによって).
• 典型的な事例: 内燃エンジンの排気 manifoldは,繰り返し起動停止と激しい温度変動により,表面に多くの熱疲労裂けが生成します.そして,最終的に破裂します.

4微細構造分解障害

• 典型的な事例:
  • パールライト耐熱鋼 (例えば,12Cr1MoV): パールライト中のセメント岩 (Fe3C) は,長期間の高温下では球体化し,集積され,グラフィットに変換される.強くなり 強くなり.
  • 熱耐性のあるアウステニティック鋼: 強化相 (例えば γ'相 Ni3Al) は,長期間の高温下で粗くなったり溶けたりします.強化効果をなくし,スリップ抵抗を減らす.

II. 耐熱鋼の強化方法

1合金強化 (コア方法)

• 酸化 耐性 を 向上 する:
  Cr (12%~30%),Al (2~5%),Si (1~3%) のような元素を加えて密度の高い酸化フィルム例えば,Cr 含有量が ≥ 12% の場合,鋼の表面に連続 Cr2O3 フィルムが形成される.酸化耐性を著しく改善する.
• 高温 耐久性 (クレイプ 耐性) を 向上 する:
  • 固体溶液強化: WとMo (原子半径が大きく,Feと強い結合を形成) を加え,マトリックス原子間の結合力を改善し,外位運動を抑制する (例えば,Mo は鉄マトリックス の クリープ アクティベーション エネルギーを 30% 以上 増加 させることができる).
  • 降水強化:V,Nb,Ti,Taなどを加えて形成する高温安定性のあるカルビッド/ナイトリッドC/N (VC,NbCなど) を含め,ピニング・ディスローケーションや粒の境界を阻害し,スリップ・デフォルメーションを阻害する (例えば,12Cr1MoVのVはVCを形成し,スリップ強度を著しく改善する).
  • 段階安定化:オウステニットマトリックスを形成するためにニ (8%~20%) を追加する (低拡散系数を持つフェライトよりも安定)例えば310Sアウステニット鋼 (25%Cr-20%Ni) は1000°C以上で長期間使用できます.
• 熱疲労性能向上:
  熱膨張係数を減らすために Mn と Ni を加える (例えば,Incoloy 800H は 30% の Ni を含んでいるため,フェリット鋼よりも 20% の熱膨張係数が低い)材料の強さを向上させるためCuとNbを加える (亀裂の拡散を抑制する).

2熱処理 強化

• 溶液 治療 + 老化 治療:
  オーステニティック耐熱鋼 (例えばGH4169) に適しています.溶液処理 (1000~1100°C) で合金元素 (Nb,Ti) が均等に溶けます.そして老化処理 (700~800°C) は, γ'相 (Ni3Nb) と γ'相 (Ni3Al) を沈殿させる.降水強化により,スリップ耐性を著しく改善します.
• 標準化 + テンパリング:
  パールリート耐熱鋼 (例えば,12Cr1MoV) に適しています:標準化 (950~1050°C) は精細なパールライト構造を得,テンパーリング (750~800°C) はストレスをなくし,カービッドを安定させます.長期間の高温下でのパールライトの球体化防止 (球体化により強度が50%以上低下する).
• アニール 処理:
  加工ストレスを排除 (溶接後の熱影響帯など),粒子を精製し,熱疲労裂けを回避するために使用されます.

3表面強化

• 表面合金:
  アルミ化および染色化 (アルミ化処理など): 鋼の表面にAl2O3またはCr2O3濃縮層 (50~200μm厚) を形成する.酸化抵抗温度をマトリックスと比較して200~300°C上昇させる (例えばアルミ化20G鋼は800°C以上で使用できる.
• コーティング技術:
  高温セラミックコーティング (Al2O3やZrO2) や金属間化合物コーティング (NiAlなど) を用いて,物理蒸気堆積 (PVD) やプラズマ噴霧によって作る.熱隔断性と耐腐蝕性がある (コーティングの熱伝導性は鋼材の1/10-1/20に過ぎません).
• レーザー 表面 溶解:
  表面をレーザーで迅速に熱し冷却し,細粒度または無形層を形成し,表面硬さや耐磨性を向上させ,酸化物スケール剥離を減らす.

4マイクロ構造制御

• 穀物 サイズ の 最適化:
  粗い粒 (小粒の境界面) は,粒の境界の滑り方を軽減し,滑り強さを向上させる (例えば,粗粒のオーステニティック鋼を使用するタービンブレッドのクリープ寿命は30%増加する)細粒子は強度と熱耐性性能を向上させることができる (例えば粒子の境界は裂け物の拡散を阻害する)細粒子のフェリティック鋼を使用する熱交換管は,熱疲労寿命が50%延長される).
• デュプレックス構造設計:
  フェリート・アウステナイト・デュプレックス鋼 (例えば2205) のように,フェリートは酸化抵抗を良くし,アウステナイトは強度が高い.耐腐蝕性も耐滑性も備えている (適用される温度範囲は,単相鋼よりも100〜150°C広い).

概要