耐熱(re)鋼是指在高溫(wen)下具有高的(de)抗(kang)氧化性(xing)和高溫(wen)強(qiang)度的(de)鋼。這樣耐熱(re)鋼就包括抗(kang)氧化鋼和熱(re)強(qiang)鋼兩(liang)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(gang)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)(qiang)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)特點是(shi)在高(gao)(gao)(gao)溫下(xia)(xia)(xia)不但有(you)(you)良好的(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)氧化(hua)(hua)能力，而且具有(you)(you)較高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)溫強(qiang)(qiang)(qiang)度。這是(shi)因為在高(gao)(gao)(gao)溫下(xia)(xia)(xia)長時間承受載荷(he)的(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)件，會產生塑性(xing)變形，甚至斷(duan)裂(lie)。高(gao)(gao)(gao)溫強(qiang)(qiang)(qiang)度是(shi)鋼(gang)(gang)在高(gao)(gao)(gao)溫下(xia)(xia)(xia)抵抗(kang)塑性(xing)變形的(de)(de)(de)(de)(de)能力；高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)度鋼(gang)(gang)內(nei)含有(you)(you)大量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)鎳(nie)、錳(meng)(meng)、鉻(ge)等(deng)穩定奧氏(shi)體的(de)(de)(de)(de)(de)元素，此外，為了提高(gao)(gao)(gao)熱(re)強(qiang)(qiang)(qiang)性(xing)，鋼(gang)(gang)中還(huan)加入了釩、鈮等(deng)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)形成元素。鎳(nie)、錳(meng)(meng)和(he)鉻(ge)等(deng)則主要是(shi)通過溶入奧氏(shi)體產生固溶強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)(hua)來(lai)提高(gao)(gao)(gao)熱(re)強(qiang)(qiang)(qiang)性(xing)。汽輪機(ji)、燃(ran)氣輪機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)子和(he)葉片、鍋爐(lu)過熱(re)器、高(gao)(gao)(gao)溫工(gong)作(zuo)的(de)(de)(de)(de)(de)螺栓和(he)彈簧、內(nei)燃(ran)機(ji)進排氣閥等(deng)用鋼(gang)(gang)就屬于熱(re)強(qiang)(qiang)(qiang)鋼(gang)(gang)。常用的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)強(qiang)(qiang)(qiang)鋼(gang)(gang)有(you)(you)53Cr21Mn9Ni4N、22Cr20Mn10Ni2Si2N、26Cr18Mn12Si2N、45Cr14Ni14W2Mo、24Cr18Ni18W2、22Cr21Ni11N等(deng)。
1. 耐熱材料中的合金化(hua)元素
耐(nai)熱材料必須含(han)有(you)鉻以抗氧化(hua)。鈷、鋁(lv)、硅(gui)和(he)稀土元素(su)有(you)助(zhu)于表(biao)面氧化(hua)層的形成、穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)堅韌。鎳提供了強(qiang)度(du)、穩(wen)定(ding)性(xing)、韌性(xing)和(he)抗滲碳。鎢和(he)鉬增加高溫強(qiang)度(du)。
材料(liao)(liao)組及其使用溫度(du)：當溫度(du)高于(yu)600℃，通(tong)常考慮如(ru)下(xia)的材料(liao)(liao)：
①. 含(han)有17％～27％Cr和少量(liang)Mo的鐵素體鋼；
②. 奧氏體高(gao)(gao)溫(wen)、高(gao)(gao)強鋼（含有高(gao)(gao)于8％Ni的Cr-Ni-Mo鋼），如(ru)牌號 06Cr18Ni11Ti （321）， 06Cr18Ni11Nb （ 347），06Cr17Ni12Mo（316）和20Cr25Ni20（310）。
碳鋼一(yi)般用于(yu)(yu)溫(wen)度(du)不超過大約400℃，低(di)合金鋼用于(yu)(yu)溫(wen)度(du)不超過600～650℃，當超過以上(shang)溫(wen)度(du)的時(shi)候(hou)，由于(yu)(yu)蠕(ru)變而造成它們失去穩定性(xing)。在600～650℃溫(wen)度(du)范圍內，優先考(kao)慮選用奧氏(shi)體不銹鋼。高溫(wen)下選用不銹鋼時(shi)，除了考(kao)慮蠕(ru)變強度(du)，還應考(kao)慮高溫(wen)腐蝕(shi)、氧化、鱗皮、碳化以及二次相的析出。
表6-3給(gei)出了材(cai)料種類及其使用溫度。
高(gao)溫(wen)(wen)(wen)用鋼評定試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)，用于(yu)評定高(gao)溫(wen)(wen)(wen)用鋼力學性能的(de)(de)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)包括：短(duan)(duan)期(qi)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)；長(chang)期(qi)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)；長(chang)期(qi)暴露于(yu)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)后的(de)(de)短(duan)(duan)期(qi)和(he)長(chang)期(qi)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)；疲勞(lao)(lao)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)（包括熱疲勞(lao)(lao)和(he)熱沖擊試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)）；與時間有關(guan)的(de)(de)疲勞(lao)(lao)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)；韌(ren)性和(he)韌(ren)度試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)。
2. 不同級別的耐熱材料(liao)使用溫(wen)度范圍
材料或構件的(de)耐熱性是按照各種操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)溫度(du)來(lai)討(tao)論的(de)，因為材料的(de)基本性能(neng)與操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)溫度(du)密切(qie)相關，所以(yi)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)溫度(du)分為四個范(fan)圍：零度(du)以(yi)下操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)；低溫操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)（0～200℃）；中(zhong)溫操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)（200～650℃）；高(gao)溫操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)（＞650℃）。
a. 零度以下和低溫操作
在零度(du)(du)以下(xia)(xia)，材料主(zhu)要(yao)的(de)(de)使用要(yao)求是操作(zuo)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)下(xia)(xia)的(de)(de)韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)。鋼和(he)有色金屬(shu)(shu)經常(chang)用于在零度(du)(du)以下(xia)(xia)盛放、處理(li)和(he)輸送(song)液化氣(qi)(qi)及變成(cheng)液態的(de)(de)氣(qi)(qi)體。有些金屬(shu)(shu)在室溫(wen)(wen)(wen)或(huo)零韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)以下(xia)(xia)的(de)(de)小溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)范圍內明顯(xian)地表現出缺乏韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)。這一溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)叫做韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)-脆性(xing)(xing)(xing)(xing)轉變溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)。由于脆性(xing)(xing)(xing)(xing)裂紋的(de)(de)擴(kuo)展會帶來(lai)危險，所以應該避免在低于零韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)下(xia)(xia)使用金屬(shu)(shu)。在零韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)以下(xia)(xia)，裂紋擴(kuo)展所需(xu)的(de)(de)能量非常(chang)少(shao)。
b. 中溫操作(zuo)
絕大多(duo)數在石(shi)油(you)和(he)(he)石(shi)化工業(ye)中使用的(de)容器都(dou)屬(shu)于中溫操作(zuo)類型。這(zhe)里最重要的(de)是(shi)要考慮發揮材(cai)料的(de)最佳(jia)性能，其中主要的(de)指標是(shi)設計(ji)應力(li)值、設計(ji)公式(shi)的(de)合(he)理性和(he)(he)材(cai)料的(de)韌性。
c. 高溫操作(zuo)
材料(liao)(liao)在高(gao)(gao)(gao)溫使用中處(chu)于假(jia)塑性(xing)(xing)或全塑性(xing)(xing)狀態下，設(she)計必須(xu)以低(di)于無彈性(xing)(xing)變(bian)形失(shi)效的(de)極(ji)限(xian)應(ying)力(li)為(wei)基礎(chu)。高(gao)(gao)(gao)溫設(she)計應(ying)力(li)極(ji)限(xian)是建立在長(chang)期蠕(ru)變(bian)強(qiang)(qiang)度(du)的(de)基礎(chu)上并考慮金屬的(de)鐵鱗(lin)阻力(li)。在高(gao)(gao)(gao)溫下所使用的(de)材料(liao)(liao)應(ying)該具(ju)有表(biao)6-4中的(de)力(li)學(xue)(xue)性(xing)(xing)能(neng)。在溫度(du)高(gao)(gao)(gao)于425℃時，材料(liao)(liao)要(yao)耐(nai)(nai)熱，必須(xu)保持耐(nai)(nai)蝕性(xing)(xing)、力(li)學(xue)(xue)強(qiang)(qiang)度(du)、冶(ye)金穩(wen)定性(xing)(xing)、耐(nai)(nai)蠕(ru)變(bian)性(xing)(xing)、耐(nai)(nai)氧化(hua)性(xing)(xing)、應(ying)力(li)-斷裂強(qiang)(qiang)度(du)、韌性(xing)(xing)和抵抗燃(ran)燒(shao)氣體和接觸化(hua)學(xue)(xue)物質的(de)表(biao)面穩(wen)定性(xing)(xing)。
