耐(nai)熱(re)鋼是指在(zai)高(gao)溫下具(ju)有(you)高(gao)的抗氧(yang)(yang)化性和高(gao)溫強(qiang)度的鋼。這樣耐(nai)熱(re)鋼就包括抗氧(yang)(yang)化鋼和熱(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。
熱強(qiang)(qiang)鋼的(de)特點是(shi)在高(gao)溫(wen)下(xia)不(bu)但有(you)良好的(de)抗(kang)氧化(hua)能力(li)(li)，而(er)且具(ju)有(you)較高(gao)的(de)高(gao)溫(wen)強(qiang)(qiang)度(du)。這是(shi)因為(wei)在高(gao)溫(wen)下(xia)長(chang)時間承受(shou)載荷的(de)工(gong)件，會產生(sheng)塑(su)(su)性變(bian)形，甚至斷裂(lie)。高(gao)溫(wen)強(qiang)(qiang)度(du)是(shi)鋼在高(gao)溫(wen)下(xia)抵抗(kang)塑(su)(su)性變(bian)形的(de)能力(li)(li)；高(gao)強(qiang)(qiang)度(du)鋼內含有(you)大量的(de)鎳(nie)、錳、鉻等穩定奧氏體的(de)元(yuan)素，此外，為(wei)了(le)提高(gao)熱強(qiang)(qiang)性，鋼中(zhong)還加入了(le)釩(fan)、鈮(ni)等碳(tan)化(hua)物形成元(yuan)素。鎳(nie)、錳和鉻等則主要(yao)是(shi)通過(guo)溶(rong)入奧氏體產生(sheng)固溶(rong)強(qiang)(qiang)化(hua)來提高(gao)熱強(qiang)(qiang)性。汽輪機(ji)、燃(ran)氣輪機(ji)的(de)轉(zhuan)子(zi)和葉片、鍋爐(lu)過(guo)熱器(qi)、高(gao)溫(wen)工(gong)作的(de)螺(luo)栓和彈(dan)簧、內燃(ran)機(ji)進排氣閥等用(yong)(yong)鋼就屬于熱強(qiang)(qiang)鋼。常(chang)用(yong)(yong)的(de)熱強(qiang)(qiang)鋼有(you)53Cr21Mn9Ni4N、22Cr20Mn10Ni2Si2N、26Cr18Mn12Si2N、45Cr14Ni14W2Mo、24Cr18Ni18W2、22Cr21Ni11N等。
1. 耐熱材料中的合金化元(yuan)素(su)
耐熱(re)材料必須含有(you)鉻(ge)以(yi)抗氧化。鈷、鋁、硅和稀土元素(su)有(you)助于表面氧化層的形成、穩(wen)定(ding)性(xing)和堅韌。鎳提供了強(qiang)度(du)、穩(wen)定(ding)性(xing)、韌性(xing)和抗滲(shen)碳。鎢和鉬增加高溫強(qiang)度(du)。
材料(liao)組及其使用溫度(du)：當(dang)溫度(du)高于600℃，通(tong)常考慮如下(xia)的材料(liao)：
①. 含有17％～27％Cr和少量(liang)Mo的鐵素體鋼；
②. 奧氏(shi)體高(gao)溫、高(gao)強鋼（含有高(gao)于8％Ni的Cr-Ni-Mo鋼），如牌號 06Cr18Ni11Ti （321）， 06Cr18Ni11Nb （ 347），06Cr17Ni12Mo（316）和20Cr25Ni20（310）。
碳鋼(gang)一般用于溫度(du)不超(chao)過大約400℃，低合金(jin)鋼(gang)用于溫度(du)不超(chao)過600～650℃，當超(chao)過以(yi)上溫度(du)的(de)時(shi)候，由于蠕變而造成它們失(shi)去(qu)穩定性。在600～650℃溫度(du)范圍(wei)內，優先考(kao)慮(lv)(lv)選用奧氏體不銹鋼(gang)。高溫下選用不銹鋼(gang)時(shi)，除了考(kao)慮(lv)(lv)蠕變強度(du)，還應考(kao)慮(lv)(lv)高溫腐蝕、氧(yang)化(hua)、鱗皮(pi)、碳化(hua)以(yi)及二次(ci)相(xiang)的(de)析出。
表6-3給出了材(cai)料種類及其使(shi)用溫度。
高(gao)(gao)溫(wen)(wen)用鋼評定試(shi)驗(yan)(yan)(yan)，用于(yu)評定高(gao)(gao)溫(wen)(wen)用鋼力學性(xing)(xing)能(neng)的試(shi)驗(yan)(yan)(yan)包(bao)括：短(duan)期高(gao)(gao)溫(wen)(wen)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)；長(chang)期高(gao)(gao)溫(wen)(wen)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)；長(chang)期暴露于(yu)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)后的短(duan)期和長(chang)期試(shi)驗(yan)(yan)(yan)；疲勞試(shi)驗(yan)(yan)(yan)（包(bao)括熱疲勞和熱沖擊試(shi)驗(yan)(yan)(yan)）；與時間(jian)有(you)關的疲勞試(shi)驗(yan)(yan)(yan)；韌(ren)(ren)性(xing)(xing)和韌(ren)(ren)度試(shi)驗(yan)(yan)(yan)。
2. 不同級(ji)別的耐熱(re)材(cai)料使用溫度范圍(wei)
材(cai)料(liao)或構(gou)件的耐(nai)熱性(xing)是按(an)照(zhao)各種操(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)溫度來討論的，因為(wei)材(cai)料(liao)的基(ji)本性(xing)能與操(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)溫度密切相關，所(suo)以操(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)溫度分為(wei)四個(ge)范圍：零度以下操(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)；低溫操(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)（0～200℃）；中(zhong)溫操(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)（200～650℃）；高溫操(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)（＞650℃）。
a. 零度以下(xia)和低溫操作
在(zai)零度(du)以下(xia)，材料主要(yao)的使(shi)用(yong)(yong)要(yao)求是(shi)操作溫度(du)下(xia)的韌(ren)性(xing)(xing)。鋼(gang)和(he)有(you)色金屬經常(chang)用(yong)(yong)于(yu)(yu)在(zai)零度(du)以下(xia)盛放、處理和(he)輸送液化氣及變(bian)成液態的氣體(ti)。有(you)些(xie)金屬在(zai)室溫或零韌(ren)性(xing)(xing)溫度(du)以下(xia)的小溫度(du)范圍內(nei)明顯地表現出缺乏韌(ren)性(xing)(xing)。這一溫度(du)叫做韌(ren)性(xing)(xing)-脆性(xing)(xing)轉變(bian)溫度(du)。由于(yu)(yu)脆性(xing)(xing)裂(lie)紋的擴(kuo)展會帶來(lai)危險(xian)，所以應該避免在(zai)低于(yu)(yu)零韌(ren)性(xing)(xing)溫度(du)下(xia)使(shi)用(yong)(yong)金屬。在(zai)零韌(ren)性(xing)(xing)溫度(du)以下(xia)，裂(lie)紋擴(kuo)展所需(xu)的能(neng)量非常(chang)少(shao)。
b. 中溫操作
絕大多數(shu)在(zai)石(shi)油和石(shi)化工業中(zhong)(zhong)使用的(de)(de)容器都屬于中(zhong)(zhong)溫操(cao)作類型。這里(li)最重要(yao)的(de)(de)是(shi)要(yao)考慮發揮(hui)材(cai)料的(de)(de)最佳性(xing)能(neng)，其中(zhong)(zhong)主要(yao)的(de)(de)指標是(shi)設(she)計應(ying)力值、設(she)計公式的(de)(de)合理性(xing)和材(cai)料的(de)(de)韌(ren)性(xing)。
c. 高溫(wen)操作
材料(liao)在高(gao)溫(wen)使用中處于假塑性(xing)或全塑性(xing)狀態下，設計(ji)必(bi)須以低于無彈(dan)性(xing)變(bian)形(xing)失效的(de)(de)極限應力(li)為(wei)基礎。高(gao)溫(wen)設計(ji)應力(li)極限是建(jian)立在長期蠕(ru)變(bian)強度的(de)(de)基礎上并考慮金屬的(de)(de)鐵鱗(lin)阻(zu)力(li)。在高(gao)溫(wen)下所使用的(de)(de)材料(liao)應該具有表6-4中的(de)(de)力(li)學(xue)(xue)性(xing)能。在溫(wen)度高(gao)于425℃時，材料(liao)要耐(nai)(nai)熱，必(bi)須保持耐(nai)(nai)蝕性(xing)、力(li)學(xue)(xue)強度、冶金穩(wen)(wen)定性(xing)、耐(nai)(nai)蠕(ru)變(bian)性(xing)、耐(nai)(nai)氧化性(xing)、應力(li)-斷裂強度、韌性(xing)和抵抗燃(ran)燒(shao)氣(qi)體和接觸化學(xue)(xue)物質的(de)(de)表面穩(wen)(wen)定性(xing)。
