耐(nai)熱(re)鋼是指(zhi)在高(gao)溫下(xia)具有高(gao)的抗氧化(hua)性和(he)高(gao)溫強(qiang)度的鋼。這樣耐(nai)熱(re)鋼就包括抗氧化(hua)鋼和(he)熱(re)強(qiang)鋼兩大類。
耐氧化性鋼的特點是在高溫下有較好的抗氧化能力（也有稱為不起皮鋼），并有一定的強度，在合金元素中能起到抗氧化作用的元素有鉻、鎳、鋁和硅，其中鉻不僅能在鋼的表面形成一層致密的穩定的氧化膜（Cr2O3），而且還能提高鋼的高溫強度，因此鉻是耐熱鋼的基本元素。鋼的耐氧化性能，與鋼中的鉻含量有直接關系；工作溫度越高，所選用的耐熱鋼中的鉻含量也應該越高。這類鋼主要用于長期在高溫下工作，但強度要求不高的零件，如各種熱交換器、加熱爐的爐底板、滲碳箱等。耐氧化鋼中除了含有一定的鉻、鎳以外，還應加入Si、Al等合金元素，它們也能與氧形成致密的高熔點的氧化膜（SiO2、Al2O3），嚴密而牢固地覆蓋在鋼的表面，使鋼與高溫氧化性氣體隔絕，從而避免鋼的進一步氧化，一般抗氧化鋼為低碳鋼，因為碳含量增多，會降低鋼的抗氧化性，常用的奧氏體抗氧化鋼有06Cr25Ni20、06Cr23Ni13、16Cr23Ni13、06Cr20Ni11、06Cr25Ni13、14Cr23Ni18 等。這樣一來，碳、鉻、鎳和硅、鋁氮的含量就成為選用耐氧化鋼的依據了。
熱(re)強(qiang)(qiang)鋼(gang)的特點是(shi)在(zai)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)下不但有良好(hao)的抗(kang)氧化能(neng)力，而且具有較高(gao)(gao)(gao)的高(gao)(gao)(gao)溫(wen)強(qiang)(qiang)度(du)。這(zhe)是(shi)因為(wei)在(zai)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)下長時間(jian)承受(shou)載(zai)荷的工件，會產生塑性(xing)變形(xing)，甚(shen)至斷裂。高(gao)(gao)(gao)溫(wen)強(qiang)(qiang)度(du)是(shi)鋼(gang)在(zai)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)下抵抗(kang)塑性(xing)變形(xing)的能(neng)力；高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)度(du)鋼(gang)內含有大量(liang)的鎳、錳、鉻(ge)等穩定奧氏體(ti)的元素，此外，為(wei)了(le)(le)提高(gao)(gao)(gao)熱(re)強(qiang)(qiang)性(xing)，鋼(gang)中(zhong)還加入(ru)了(le)(le)釩、鈮等碳(tan)化物形(xing)成元素。鎳、錳和鉻(ge)等則主(zhu)要是(shi)通(tong)過溶(rong)入(ru)奧氏體(ti)產生固溶(rong)強(qiang)(qiang)化來提高(gao)(gao)(gao)熱(re)強(qiang)(qiang)性(xing)。汽(qi)輪機(ji)、燃(ran)氣輪機(ji)的轉子和葉片、鍋(guo)爐(lu)過熱(re)器、高(gao)(gao)(gao)溫(wen)工作的螺栓和彈簧、內燃(ran)機(ji)進(jin)排氣閥等用(yong)鋼(gang)就屬于(yu)熱(re)強(qiang)(qiang)鋼(gang)。常用(yong)的熱(re)強(qiang)(qiang)鋼(gang)有53Cr21Mn9Ni4N、22Cr20Mn10Ni2Si2N、26Cr18Mn12Si2N、45Cr14Ni14W2Mo、24Cr18Ni18W2、22Cr21Ni11N等。
1. 耐熱材料中的(de)合(he)金(jin)化元素
耐熱材料必須含有鉻以抗氧(yang)化。鈷、鋁、硅(gui)和稀土元素(su)有助于表面(mian)氧(yang)化層的形成(cheng)、穩定性和堅韌。鎳提供(gong)了(le)強度、穩定性、韌性和抗滲碳。鎢(wu)和鉬(mu)增加高溫強度。
材料組及其使用溫(wen)度：當(dang)溫(wen)度高于600℃，通常考慮如下(xia)的(de)材料：
①. 含有17％～27％Cr和少量Mo的鐵素體鋼；
②. 奧氏體高溫、高強(qiang)鋼（含有高于8％Ni的Cr-Ni-Mo鋼），如牌號 06Cr18Ni11Ti （321）， 06Cr18Ni11Nb （ 347），06Cr17Ni12Mo（316）和(he)20Cr25Ni20（310）。
碳鋼一般(ban)用(yong)于(yu)溫度(du)不(bu)超過大約400℃，低合金鋼用(yong)于(yu)溫度(du)不(bu)超過600～650℃，當超過以上溫度(du)的時(shi)候，由于(yu)蠕變而造成它們失(shi)去穩定性。在600～650℃溫度(du)范圍內，優(you)先考慮(lv)選用(yong)奧氏體(ti)不(bu)銹鋼。高溫下選用(yong)不(bu)銹鋼時(shi)，除了考慮(lv)蠕變強(qiang)度(du)，還(huan)應考慮(lv)高溫腐(fu)蝕、氧化(hua)、鱗皮(pi)、碳化(hua)以及二次相的析出。
表6-3給出了材料種(zhong)類及其使用溫(wen)度。
高溫用鋼評定試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)，用于(yu)(yu)評定高溫用鋼力學性能(neng)的(de)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)包括(kuo)(kuo)：短期(qi)(qi)(qi)高溫試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)；長期(qi)(qi)(qi)高溫試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)；長期(qi)(qi)(qi)暴(bao)露于(yu)(yu)高溫后的(de)短期(qi)(qi)(qi)和長期(qi)(qi)(qi)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)；疲勞試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)（包括(kuo)(kuo)熱(re)疲勞和熱(re)沖擊試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)）；與時間有(you)關的(de)疲勞試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)；韌性和韌度試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)。
2. 不同級別的(de)耐熱材料使用溫度(du)范圍
材料(liao)或構件的耐熱性是(shi)按照各(ge)種操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)溫度來(lai)討論(lun)的，因(yin)為(wei)材料(liao)的基本性能與(yu)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)溫度密切相關，所以操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)溫度分為(wei)四個(ge)范圍：零度以下操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)；低溫操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)（0～200℃）；中溫操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)（200～650℃）；高溫操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)（＞650℃）。
a. 零(ling)度以下和低溫操作
在(zai)(zai)(zai)零度(du)(du)以(yi)(yi)(yi)下(xia)，材料主要的(de)(de)使用要求(qiu)是操(cao)作溫度(du)(du)下(xia)的(de)(de)韌(ren)性(xing)(xing)。鋼和(he)有(you)色金(jin)(jin)屬(shu)經常用于在(zai)(zai)(zai)零度(du)(du)以(yi)(yi)(yi)下(xia)盛放、處理和(he)輸送液化氣及變成液態(tai)的(de)(de)氣體。有(you)些(xie)金(jin)(jin)屬(shu)在(zai)(zai)(zai)室溫或(huo)零韌(ren)性(xing)(xing)溫度(du)(du)以(yi)(yi)(yi)下(xia)的(de)(de)小溫度(du)(du)范圍內明顯地表現出(chu)缺乏韌(ren)性(xing)(xing)。這(zhe)一溫度(du)(du)叫做(zuo)韌(ren)性(xing)(xing)-脆性(xing)(xing)轉(zhuan)變溫度(du)(du)。由于脆性(xing)(xing)裂紋的(de)(de)擴(kuo)展(zhan)會帶來危險，所以(yi)(yi)(yi)應該(gai)避免在(zai)(zai)(zai)低于零韌(ren)性(xing)(xing)溫度(du)(du)下(xia)使用金(jin)(jin)屬(shu)。在(zai)(zai)(zai)零韌(ren)性(xing)(xing)溫度(du)(du)以(yi)(yi)(yi)下(xia)，裂紋擴(kuo)展(zhan)所需的(de)(de)能量(liang)非常少(shao)。
b. 中溫(wen)操(cao)作(zuo)
絕大多數在石(shi)油和石(shi)化工業中使用的(de)容器都屬于中溫操作類型。這里(li)最重要(yao)的(de)是要(yao)考慮(lv)發揮材料(liao)(liao)的(de)最佳性(xing)(xing)能，其中主要(yao)的(de)指標是設計(ji)應(ying)力值、設計(ji)公式(shi)的(de)合理(li)性(xing)(xing)和材料(liao)(liao)的(de)韌(ren)性(xing)(xing)。
c. 高(gao)溫操(cao)作
材料(liao)在(zai)高溫(wen)使(shi)用中處于(yu)假塑性(xing)或全塑性(xing)狀態(tai)下(xia)，設計(ji)必須(xu)以(yi)低(di)于(yu)無彈性(xing)變形失效的(de)極(ji)(ji)限應(ying)力(li)(li)為(wei)基礎(chu)。高溫(wen)設計(ji)應(ying)力(li)(li)極(ji)(ji)限是建(jian)立在(zai)長期蠕(ru)(ru)變強度(du)的(de)基礎(chu)上并考慮(lv)金屬的(de)鐵鱗阻力(li)(li)。在(zai)高溫(wen)下(xia)所使(shi)用的(de)材料(liao)應(ying)該(gai)具有表6-4中的(de)力(li)(li)學(xue)性(xing)能(neng)。在(zai)溫(wen)度(du)高于(yu)425℃時(shi)，材料(liao)要耐(nai)熱，必須(xu)保持耐(nai)蝕性(xing)、力(li)(li)學(xue)強度(du)、冶金穩定性(xing)、耐(nai)蠕(ru)(ru)變性(xing)、耐(nai)氧(yang)化性(xing)、應(ying)力(li)(li)-斷裂強度(du)、韌性(xing)和抵抗燃燒氣體(ti)和接觸化學(xue)物質的(de)表面穩定性(xing)。
