耐熱鋼(gang)(gang)是指在高溫下具有高的抗(kang)氧化性和高溫強度的鋼(gang)(gang)。這樣(yang)耐熱鋼(gang)(gang)就包括(kuo)抗(kang)氧化鋼(gang)(gang)和熱強鋼(gang)(gang)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)(re)強(qiang)(qiang)(qiang)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)特點是在高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)下不(bu)但有良好的(de)(de)(de)(de)抗(kang)氧化(hua)能力，而且具有較高(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)強(qiang)(qiang)(qiang)度。這是因為(wei)在高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)下長(chang)時(shi)間承(cheng)受載荷的(de)(de)(de)(de)工件，會產生(sheng)塑性變形，甚(shen)至斷裂。高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)強(qiang)(qiang)(qiang)度是鋼(gang)(gang)在高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)下抵抗(kang)塑性變形的(de)(de)(de)(de)能力；高(gao)(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)度鋼(gang)(gang)內含有大量的(de)(de)(de)(de)鎳、錳、鉻(ge)等穩定奧氏(shi)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)元素，此外，為(wei)了提高(gao)(gao)(gao)(gao)熱(re)(re)強(qiang)(qiang)(qiang)性，鋼(gang)(gang)中還(huan)加入了釩、鈮等碳(tan)化(hua)物形成元素。鎳、錳和鉻(ge)等則主要(yao)是通(tong)過溶(rong)入奧氏(shi)體(ti)(ti)產生(sheng)固溶(rong)強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)來提高(gao)(gao)(gao)(gao)熱(re)(re)強(qiang)(qiang)(qiang)性。汽輪機、燃氣輪機的(de)(de)(de)(de)轉子和葉片、鍋爐過熱(re)(re)器、高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)工作的(de)(de)(de)(de)螺栓和彈簧、內燃機進(jin)排氣閥等用(yong)鋼(gang)(gang)就屬于熱(re)(re)強(qiang)(qiang)(qiang)鋼(gang)(gang)。常用(yong)的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)強(qiang)(qiang)(qiang)鋼(gang)(gang)有53Cr21Mn9Ni4N、22Cr20Mn10Ni2Si2N、26Cr18Mn12Si2N、45Cr14Ni14W2Mo、24Cr18Ni18W2、22Cr21Ni11N等。
1. 耐熱材料(liao)中的合金化(hua)元素
耐(nai)熱材料必(bi)須含(han)有(you)鉻以抗(kang)氧化(hua)。鈷、鋁、硅和(he)稀(xi)土元素有(you)助(zhu)于表面氧化(hua)層的形(xing)成、穩定性和(he)堅韌。鎳提供了(le)強度(du)、穩定性、韌性和(he)抗(kang)滲碳。鎢和(he)鉬(mu)增加(jia)高(gao)溫(wen)強度(du)。
材料(liao)組及其(qi)使用(yong)溫度：當溫度高(gao)于600℃，通常考慮如(ru)下(xia)的(de)材料(liao)：
①. 含有17％～27％Cr和少(shao)量Mo的鐵素體鋼(gang)；
②. 奧氏體高(gao)溫、高(gao)強(qiang)鋼（含有高(gao)于(yu)8％Ni的(de)Cr-Ni-Mo鋼），如牌號 06Cr18Ni11Ti （321）， 06Cr18Ni11Nb （ 347），06Cr17Ni12Mo（316）和(he)20Cr25Ni20（310）。
碳(tan)鋼(gang)一般(ban)用(yong)于(yu)溫(wen)度(du)不超(chao)過大約(yue)400℃，低(di)合金鋼(gang)用(yong)于(yu)溫(wen)度(du)不超(chao)過600～650℃，當超(chao)過以上溫(wen)度(du)的時候，由于(yu)蠕變(bian)而造成它們失去穩定性。在600～650℃溫(wen)度(du)范圍內(nei)，優(you)先考慮(lv)選(xuan)用(yong)奧氏體(ti)不銹鋼(gang)。高溫(wen)下選(xuan)用(yong)不銹鋼(gang)時，除了考慮(lv)蠕變(bian)強度(du)，還應考慮(lv)高溫(wen)腐蝕、氧化、鱗皮、碳(tan)化以及二次相的析出。
表6-3給出(chu)了(le)材料種(zhong)類及其使用溫度(du)。
高(gao)溫(wen)用鋼評定試(shi)驗(yan)，用于(yu)評定高(gao)溫(wen)用鋼力學(xue)性能的試(shi)驗(yan)包括：短期高(gao)溫(wen)試(shi)驗(yan)；長期高(gao)溫(wen)試(shi)驗(yan)；長期暴露(lu)于(yu)高(gao)溫(wen)后的短期和(he)長期試(shi)驗(yan)；疲勞(lao)(lao)試(shi)驗(yan)（包括熱疲勞(lao)(lao)和(he)熱沖(chong)擊試(shi)驗(yan)）；與(yu)時(shi)間有(you)關的疲勞(lao)(lao)試(shi)驗(yan)；韌性和(he)韌度試(shi)驗(yan)。
2. 不同級別的耐熱材料(liao)使(shi)用(yong)溫度范圍
材料或構件的(de)(de)耐熱性是按照(zhao)各種操(cao)(cao)作(zuo)溫(wen)度來(lai)討論的(de)(de)，因為材料的(de)(de)基本性能(neng)與(yu)操(cao)(cao)作(zuo)溫(wen)度密切相關，所以(yi)(yi)操(cao)(cao)作(zuo)溫(wen)度分為四個范(fan)圍：零度以(yi)(yi)下操(cao)(cao)作(zuo)；低(di)溫(wen)操(cao)(cao)作(zuo)（0～200℃）；中溫(wen)操(cao)(cao)作(zuo)（200～650℃）；高溫(wen)操(cao)(cao)作(zuo)（＞650℃）。
a. 零度以下(xia)和低溫(wen)操作
在零(ling)(ling)度(du)(du)(du)以(yi)下，材料主(zhu)要的(de)使(shi)用(yong)要求是操作(zuo)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)下的(de)韌性(xing)(xing)(xing)(xing)。鋼和有色金屬經常用(yong)于在零(ling)(ling)度(du)(du)(du)以(yi)下盛放(fang)、處理和輸送液化氣及(ji)變(bian)成液態的(de)氣體。有些金屬在室(shi)溫(wen)(wen)或(huo)零(ling)(ling)韌性(xing)(xing)(xing)(xing)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)以(yi)下的(de)小溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)范圍內(nei)明顯地表現出缺乏(fa)韌性(xing)(xing)(xing)(xing)。這一(yi)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)叫做韌性(xing)(xing)(xing)(xing)-脆性(xing)(xing)(xing)(xing)轉(zhuan)變(bian)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)。由于脆性(xing)(xing)(xing)(xing)裂紋(wen)的(de)擴(kuo)展會帶來危險(xian)，所以(yi)應該避(bi)免在低于零(ling)(ling)韌性(xing)(xing)(xing)(xing)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)下使(shi)用(yong)金屬。在零(ling)(ling)韌性(xing)(xing)(xing)(xing)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)以(yi)下，裂紋(wen)擴(kuo)展所需的(de)能量非常少(shao)。
b. 中溫操作
絕大多數在(zai)石(shi)油(you)和石(shi)化工業中使用的(de)(de)容器都(dou)屬于中溫操作類型。這里最重要的(de)(de)是要考慮發揮材(cai)料(liao)的(de)(de)最佳性(xing)能(neng)，其中主要的(de)(de)指標是設計應力(li)值、設計公式的(de)(de)合(he)理性(xing)和材(cai)料(liao)的(de)(de)韌性(xing)。
c. 高溫操作(zuo)
材(cai)料(liao)在(zai)(zai)高溫使用(yong)中處于(yu)假塑(su)性或全塑(su)性狀態下(xia)(xia)，設計必須以低(di)于(yu)無(wu)彈性變(bian)形(xing)失(shi)效的(de)(de)極限應(ying)力為基(ji)礎(chu)。高溫設計應(ying)力極限是建立(li)在(zai)(zai)長期蠕(ru)變(bian)強(qiang)度(du)的(de)(de)基(ji)礎(chu)上(shang)并考慮金屬的(de)(de)鐵鱗阻(zu)力。在(zai)(zai)高溫下(xia)(xia)所使用(yong)的(de)(de)材(cai)料(liao)應(ying)該具有表(biao)6-4中的(de)(de)力學(xue)性能。在(zai)(zai)溫度(du)高于(yu)425℃時，材(cai)料(liao)要耐(nai)(nai)熱，必須保持耐(nai)(nai)蝕性、力學(xue)強(qiang)度(du)、冶金穩定性、耐(nai)(nai)蠕(ru)變(bian)性、耐(nai)(nai)氧化(hua)性、應(ying)力-斷(duan)裂(lie)強(qiang)度(du)、韌性和(he)抵(di)抗燃燒氣體和(he)接觸化(hua)學(xue)物質的(de)(de)表(biao)面穩定性。
