耐熱鋼是指在高溫下具有高的抗氧化性和高溫強(qiáng)度的鋼。這樣耐熱鋼就包括抗氧化鋼和熱強(qiáng)鋼兩大類(lèi)。
耐氧化性鋼的特點(diǎn)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(qiáng)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(wěn)定的氧化膜（Cr2O3），而且還能提高鋼的高溫強(qiáng)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(guān)系；工作溫度越高，所選用的耐熱鋼中的鉻含量也應(yīng)該越高。這類(lèi)鋼主要用于長(zhǎng)期在高溫下工作，但強(qiáng)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(yīng)加入Si、Al等合金元素，它們也能與氧形成致密的高熔點(diǎn)的氧化膜（SiO2、Al2O3），嚴(yán)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(jìn)一步氧化，一般抗氧化鋼為低碳鋼，因?yàn)樘己吭龆?，?huì)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(lái)，碳、鉻、鎳和硅、鋁氮的含量就成為選用耐氧化鋼的依據(jù)了。
熱強(qiáng)鋼的特點(diǎn)是在高溫下不但有良好的抗氧化能力，而且具有較高的高溫強(qiáng)度。這是因?yàn)樵诟邷叵麻L(zhǎng)時(shí)間承受載荷的工件，會(huì)產(chǎn)生塑性變形，甚至斷裂。高溫強(qiáng)度是鋼在高溫下抵抗塑性變形的能力；高強(qiáng)度鋼內(nèi)含有大量的鎳、錳、鉻等穩(wěn)定奧氏體的元素，此外，為了提高熱強(qiáng)性，鋼中還加入了釩、鈮等碳化物形成元素。鎳、錳和鉻等則主要是通過(guò)溶入奧氏體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化來(lái)提高熱強(qiáng)性。汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子和葉片、鍋爐過(guò)熱器、高溫工作的螺栓和彈簧、內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣閥等用鋼就屬于熱強(qiáng)鋼。常用的熱強(qiáng)鋼有53Cr21Mn9Ni4N、22Cr20Mn10Ni2Si2N、26Cr18Mn12Si2N、45Cr14Ni14W2Mo、24Cr18Ni18W2、22Cr21Ni11N等。
1. 耐熱材料中的合金化元素
耐熱材料必須含有鉻以抗氧化。鈷、鋁、硅和稀土元素有助于表面氧化層的形成、穩(wěn)定性和堅(jiān)韌。鎳提供了強(qiáng)度、穩(wěn)定性、韌性和抗?jié)B碳。鎢和鉬增加高溫強(qiáng)度。
材料組及其使用溫度：當(dāng)溫度高于600℃，通?？紤]如下的材料：
①. 含有17％～27％Cr和少量Mo的鐵素體鋼；
②. 奧氏體高溫、高強(qiáng)鋼（含有高于8％Ni的Cr-Ni-Mo鋼），如牌號(hào) 06Cr18Ni11Ti （321）， 06Cr18Ni11Nb （ 347），06Cr17Ni12Mo（316）和20Cr25Ni20（310）。
碳鋼一般用于溫度不超過(guò)大約400℃，低合金鋼用于溫度不超過(guò)600～650℃，當(dāng)超過(guò)以上溫度的時(shí)候，由于蠕變而造成它們失去穩(wěn)定性。在600～650℃溫度范圍內(nèi)，優(yōu)先考慮選用奧氏體不銹鋼。高溫下選用不銹鋼時(shí)，除了考慮蠕變強(qiáng)度，還應(yīng)考慮高溫腐蝕、氧化、鱗皮、碳化以及二次相的析出。
表6-3給出了材料種類(lèi)及其使用溫度。
高溫用鋼評(píng)定試驗(yàn)，用于評(píng)定高溫用鋼力學(xué)性能的試驗(yàn)包括：短期高溫試驗(yàn)；長(zhǎng)期高溫試驗(yàn)；長(zhǎng)期暴露于高溫后的短期和長(zhǎng)期試驗(yàn)；疲勞試驗(yàn)（包括熱疲勞和熱沖擊試驗(yàn)）；與時(shí)間有關(guān)的疲勞試驗(yàn)；韌性和韌度試驗(yàn)。
2. 不同級(jí)別的耐熱材料使用溫度范圍
材料或構(gòu)件的耐熱性是按照各種操作溫度來(lái)討論的，因?yàn)椴牧系幕拘阅芘c操作溫度密切相關(guān)，所以操作溫度分為四個(gè)范圍：零度以下操作；低溫操作（0～200℃）；中溫操作（200～650℃）；高溫操作（＞650℃）。
a. 零度以下和低溫操作
在零度以下，材料主要的使用要求是操作溫度下的韌性。鋼和有色金屬經(jīng)常用于在零度以下盛放、處理和輸送液化氣及變成液態(tài)的氣體。有些金屬在室溫或零韌性溫度以下的小溫度范圍內(nèi)明顯地表現(xiàn)出缺乏韌性。這一溫度叫做韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度。由于脆性裂紋的擴(kuò)展會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)，所以應(yīng)該避免在低于零韌性溫度下使用金屬。在零韌性溫度以下，裂紋擴(kuò)展所需的能量非常少。
b. 中溫操作
絕大多數(shù)在石油和石化工業(yè)中使用的容器都屬于中溫操作類(lèi)型。這里最重要的是要考慮發(fā)揮材料的最佳性能，其中主要的指標(biāo)是設(shè)計(jì)應(yīng)力值、設(shè)計(jì)公式的合理性和材料的韌性。
c. 高溫操作
材料在高溫使用中處于假塑性或全塑性狀態(tài)下，設(shè)計(jì)必須以低于無(wú)彈性變形失效的極限應(yīng)力為基礎(chǔ)。高溫設(shè)計(jì)應(yīng)力極限是建立在長(zhǎng)期蠕變強(qiáng)度的基礎(chǔ)上并考慮金屬的鐵鱗阻力。在高溫下所使用的材料應(yīng)該具有表6-4中的力學(xué)性能。在溫度高于425℃時(shí)，材料要耐熱，必須保持耐蝕性、力學(xué)強(qiáng)度、冶金穩(wěn)定性、耐蠕變性、耐氧化性、應(yīng)力-斷裂強(qiáng)度、韌性和抵抗燃燒氣體和接觸化學(xué)物質(zhì)的表面穩(wěn)定性。
