耐(nai)熱(re)(re)鋼是指(zhi)在高溫下具有高的抗(kang)氧(yang)化(hua)性和高溫強度(du)的鋼。這樣耐(nai)熱(re)(re)鋼就包(bao)括抗(kang)氧(yang)化(hua)鋼和熱(re)(re)強鋼兩大類。
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)強鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)(de)特點是(shi)在(zai)(zai)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)下(xia)不但有(you)(you)良好的(de)(de)抗氧化能力，而且具有(you)(you)較高(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)(de)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)強度(du)。這是(shi)因為(wei)(wei)在(zai)(zai)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)下(xia)長時間承受載荷的(de)(de)工件(jian)，會產生塑性變形(xing)(xing)，甚(shen)至斷裂。高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)強度(du)是(shi)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)在(zai)(zai)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)下(xia)抵抗塑性變形(xing)(xing)的(de)(de)能力；高(gao)(gao)(gao)(gao)強度(du)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)內(nei)(nei)含有(you)(you)大量(liang)的(de)(de)鎳(nie)、錳(meng)、鉻(ge)等穩定奧(ao)氏體的(de)(de)元(yuan)素，此外，為(wei)(wei)了提(ti)高(gao)(gao)(gao)(gao)熱(re)強性，鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)中還加(jia)入了釩、鈮等碳化物形(xing)(xing)成元(yuan)素。鎳(nie)、錳(meng)和(he)鉻(ge)等則主要是(shi)通(tong)過溶(rong)入奧(ao)氏體產生固溶(rong)強化來提(ti)高(gao)(gao)(gao)(gao)熱(re)強性。汽輪機(ji)、燃氣(qi)輪機(ji)的(de)(de)轉子和(he)葉片、鍋(guo)爐(lu)過熱(re)器、高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)工作的(de)(de)螺栓和(he)彈簧、內(nei)(nei)燃機(ji)進排(pai)氣(qi)閥等用鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)就(jiu)屬于熱(re)強鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)。常用的(de)(de)熱(re)強鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)有(you)(you)53Cr21Mn9Ni4N、22Cr20Mn10Ni2Si2N、26Cr18Mn12Si2N、45Cr14Ni14W2Mo、24Cr18Ni18W2、22Cr21Ni11N等。
1. 耐熱材料中的合(he)金化(hua)元素(su)
耐熱材料(liao)必須含有鉻(ge)以抗氧化。鈷、鋁、硅和(he)稀土元素有助于(yu)表(biao)面氧化層的形成、穩(wen)定(ding)性和(he)堅韌。鎳提供(gong)了強度(du)、穩(wen)定(ding)性、韌性和(he)抗滲碳。鎢(wu)和(he)鉬增加高溫強度(du)。
材料組及其使用溫(wen)(wen)度(du)：當(dang)溫(wen)(wen)度(du)高(gao)于600℃，通常考慮(lv)如(ru)下(xia)的材料：
①. 含有17％～27％Cr和少量(liang)Mo的鐵素體鋼；
②. 奧氏(shi)體高溫(wen)、高強鋼（含有高于8％Ni的Cr-Ni-Mo鋼），如牌號(hao) 06Cr18Ni11Ti （321）， 06Cr18Ni11Nb （ 347），06Cr17Ni12Mo（316）和20Cr25Ni20（310）。
碳(tan)鋼(gang)一般用于溫(wen)(wen)度不超(chao)過(guo)大約(yue)400℃，低合金(jin)鋼(gang)用于溫(wen)(wen)度不超(chao)過(guo)600～650℃，當超(chao)過(guo)以(yi)上溫(wen)(wen)度的時候，由于蠕變而造成它們失去穩定(ding)性。在600～650℃溫(wen)(wen)度范圍內，優先考慮選(xuan)用奧氏(shi)體不銹(xiu)鋼(gang)。高溫(wen)(wen)下(xia)選(xuan)用不銹(xiu)鋼(gang)時，除了考慮蠕變強(qiang)度，還應考慮高溫(wen)(wen)腐蝕、氧化、鱗皮(pi)、碳(tan)化以(yi)及二(er)次相的析出。
表6-3給(gei)出了材料種類及其使用溫(wen)度(du)。
高(gao)溫用(yong)鋼(gang)評定(ding)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)，用(yong)于評定(ding)高(gao)溫用(yong)鋼(gang)力學(xue)性能(neng)的(de)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)包括：短(duan)期(qi)(qi)(qi)高(gao)溫試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)；長(chang)期(qi)(qi)(qi)高(gao)溫試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)；長(chang)期(qi)(qi)(qi)暴露于高(gao)溫后(hou)的(de)短(duan)期(qi)(qi)(qi)和(he)(he)長(chang)期(qi)(qi)(qi)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)；疲(pi)勞(lao)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)（包括熱疲(pi)勞(lao)和(he)(he)熱沖擊試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)）；與(yu)時間有關(guan)的(de)疲(pi)勞(lao)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)；韌性和(he)(he)韌度試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)。
2. 不同(tong)級別的耐熱材料使用溫度范圍
材料或構件的耐熱性是按(an)照各(ge)種(zhong)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)溫(wen)(wen)度(du)來討論的，因為材料的基本性能與(yu)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)溫(wen)(wen)度(du)密切相關，所以操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)溫(wen)(wen)度(du)分為四個(ge)范(fan)圍：零(ling)度(du)以下操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)；低(di)溫(wen)(wen)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)（0～200℃）；中溫(wen)(wen)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)（200～650℃）；高溫(wen)(wen)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)（＞650℃）。
a. 零度以下和低溫操作(zuo)
在(zai)零(ling)(ling)度(du)(du)(du)以下(xia)，材料主(zhu)要的(de)使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)要求是操作溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)下(xia)的(de)韌性。鋼和有色金屬(shu)經常用(yong)(yong)(yong)于(yu)在(zai)零(ling)(ling)度(du)(du)(du)以下(xia)盛放、處理和輸送液化(hua)氣及變成液態的(de)氣體。有些金屬(shu)在(zai)室溫(wen)(wen)(wen)(wen)或零(ling)(ling)韌性溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)以下(xia)的(de)小溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)范圍內明顯地表(biao)現出缺乏(fa)韌性。這一溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)叫做韌性-脆(cui)性轉變溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)。由于(yu)脆(cui)性裂紋的(de)擴展(zhan)會帶來(lai)危險，所以應該避免(mian)在(zai)低于(yu)零(ling)(ling)韌性溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)下(xia)使(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)金屬(shu)。在(zai)零(ling)(ling)韌性溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)以下(xia)，裂紋擴展(zhan)所需的(de)能量非(fei)常少。
b. 中溫操作
絕大多數在石油和(he)石化(hua)工(gong)業中使用的(de)容(rong)器都屬于中溫操(cao)作類型(xing)。這(zhe)里最(zui)(zui)重要(yao)的(de)是要(yao)考慮(lv)發(fa)揮(hui)材料的(de)最(zui)(zui)佳(jia)性(xing)能，其中主要(yao)的(de)指(zhi)標是設計應(ying)力值、設計公式的(de)合理性(xing)和(he)材料的(de)韌性(xing)。
c. 高(gao)溫操作
材料(liao)在高(gao)溫使用(yong)中處于假塑性(xing)(xing)或全塑性(xing)(xing)狀態下(xia)，設計(ji)必須(xu)(xu)以低(di)于無彈性(xing)(xing)變形失效的(de)極(ji)限(xian)應力(li)(li)為(wei)基礎。高(gao)溫設計(ji)應力(li)(li)極(ji)限(xian)是建立在長期蠕變強(qiang)(qiang)度的(de)基礎上并考慮金(jin)屬的(de)鐵(tie)鱗阻(zu)力(li)(li)。在高(gao)溫下(xia)所使用(yong)的(de)材料(liao)應該具有表6-4中的(de)力(li)(li)學(xue)(xue)性(xing)(xing)能。在溫度高(gao)于425℃時，材料(liao)要耐熱，必須(xu)(xu)保(bao)持耐蝕性(xing)(xing)、力(li)(li)學(xue)(xue)強(qiang)(qiang)度、冶(ye)金(jin)穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)、耐蠕變性(xing)(xing)、耐氧化性(xing)(xing)、應力(li)(li)-斷裂強(qiang)(qiang)度、韌性(xing)(xing)和抵抗(kang)燃燒氣(qi)體和接觸化學(xue)(xue)物質的(de)表面穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)。
