耐熱(re)鋼是指在高(gao)溫下具有高(gao)的抗(kang)氧(yang)化性和(he)高(gao)溫強度的鋼。這樣耐熱(re)鋼就包括(kuo)抗(kang)氧(yang)化鋼和(he)熱(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)的(de)特點是(shi)在(zai)高(gao)(gao)溫(wen)下不(bu)但有(you)良好的(de)抗(kang)氧化能力(li)，而且具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)(gao)的(de)高(gao)(gao)溫(wen)強度。這是(shi)因為在(zai)高(gao)(gao)溫(wen)下長時間承受載荷的(de)工(gong)件，會產生塑(su)性變形(xing)，甚至斷裂。高(gao)(gao)溫(wen)強度是(shi)鋼(gang)(gang)在(zai)高(gao)(gao)溫(wen)下抵抗(kang)塑(su)性變形(xing)的(de)能力(li)；高(gao)(gao)強度鋼(gang)(gang)內含(han)有(you)大量的(de)鎳、錳、鉻(ge)等(deng)(deng)(deng)(deng)穩定奧氏體的(de)元(yuan)素，此外，為了提高(gao)(gao)熱(re)強性，鋼(gang)(gang)中還加入(ru)了釩(fan)、鈮等(deng)(deng)(deng)(deng)碳化物形(xing)成元(yuan)素。鎳、錳和(he)鉻(ge)等(deng)(deng)(deng)(deng)則主要(yao)是(shi)通過溶入(ru)奧氏體產生固(gu)溶強化來提高(gao)(gao)熱(re)強性。汽輪(lun)機(ji)、燃氣輪(lun)機(ji)的(de)轉子和(he)葉片、鍋爐(lu)過熱(re)器、高(gao)(gao)溫(wen)工(gong)作的(de)螺栓和(he)彈(dan)簧(huang)、內燃機(ji)進排(pai)氣閥等(deng)(deng)(deng)(deng)用鋼(gang)(gang)就屬(shu)于熱(re)強鋼(gang)(gang)。常用的(de)熱(re)強鋼(gang)(gang)有(you)53Cr21Mn9Ni4N、22Cr20Mn10Ni2Si2N、26Cr18Mn12Si2N、45Cr14Ni14W2Mo、24Cr18Ni18W2、22Cr21Ni11N等(deng)(deng)(deng)(deng)。
1. 耐熱材料中的(de)合金化元(yuan)素
耐(nai)熱材料必須(xu)含有(you)鉻以抗氧(yang)(yang)化。鈷、鋁、硅和(he)稀土元素(su)有(you)助于表面氧(yang)(yang)化層的(de)形(xing)成、穩定(ding)性(xing)和(he)堅韌(ren)。鎳提供了強度、穩定(ding)性(xing)、韌(ren)性(xing)和(he)抗滲碳。鎢和(he)鉬(mu)增(zeng)加高溫強度。
材(cai)料組及(ji)其使用溫度(du)：當溫度(du)高于600℃，通常(chang)考慮如下的材(cai)料：
①. 含有17％～27％Cr和少量Mo的鐵素體(ti)鋼；
②. 奧(ao)氏(shi)體高(gao)溫、高(gao)強鋼（含有高(gao)于8％Ni的Cr-Ni-Mo鋼），如(ru)牌號(hao) 06Cr18Ni11Ti （321）， 06Cr18Ni11Nb （ 347），06Cr17Ni12Mo（316）和20Cr25Ni20（310）。
碳鋼一般用于(yu)(yu)溫(wen)(wen)度(du)(du)不超(chao)過(guo)大約400℃，低(di)合金鋼用于(yu)(yu)溫(wen)(wen)度(du)(du)不超(chao)過(guo)600～650℃，當超(chao)過(guo)以(yi)(yi)上(shang)溫(wen)(wen)度(du)(du)的時候，由于(yu)(yu)蠕(ru)變而造成它(ta)們失(shi)去穩定性。在600～650℃溫(wen)(wen)度(du)(du)范圍內，優先(xian)考慮(lv)(lv)選(xuan)用奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼。高溫(wen)(wen)下選(xuan)用不銹(xiu)鋼時，除了(le)考慮(lv)(lv)蠕(ru)變強(qiang)度(du)(du)，還應考慮(lv)(lv)高溫(wen)(wen)腐(fu)蝕、氧(yang)化(hua)(hua)、鱗(lin)皮、碳化(hua)(hua)以(yi)(yi)及二次相的析出。
表6-3給(gei)出了材料種類及其使(shi)用溫度。
高(gao)溫(wen)(wen)(wen)用(yong)鋼(gang)評(ping)定試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)，用(yong)于評(ping)定高(gao)溫(wen)(wen)(wen)用(yong)鋼(gang)力學性(xing)能的試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)包括：短(duan)期(qi)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)；長期(qi)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)；長期(qi)暴露(lu)于高(gao)溫(wen)(wen)(wen)后的短(duan)期(qi)和(he)(he)長期(qi)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)；疲(pi)勞(lao)(lao)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)（包括熱疲(pi)勞(lao)(lao)和(he)(he)熱沖擊試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)）；與時間有(you)關的疲(pi)勞(lao)(lao)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)；韌性(xing)和(he)(he)韌度試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)。
2. 不同級別的耐熱(re)材料使(shi)用溫度范(fan)圍
材料或構件的耐熱性(xing)是(shi)按照(zhao)各種操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)溫度(du)來討論的，因(yin)為材料的基本性(xing)能與操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)溫度(du)密切相關，所(suo)以操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)溫度(du)分為四個范(fan)圍(wei)：零度(du)以下操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)；低溫操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)（0～200℃）；中溫操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)（200～650℃）；高溫操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)（＞650℃）。
a. 零度(du)以下和低(di)溫(wen)操作
在(zai)零(ling)(ling)(ling)度(du)(du)(du)(du)以下(xia)，材料主要(yao)的(de)(de)(de)使(shi)用要(yao)求是操作(zuo)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)下(xia)的(de)(de)(de)韌(ren)性(xing)。鋼和有(you)色(se)金(jin)屬(shu)(shu)經常用于在(zai)零(ling)(ling)(ling)度(du)(du)(du)(du)以下(xia)盛放、處理和輸送液(ye)化氣及變成液(ye)態(tai)的(de)(de)(de)氣體。有(you)些金(jin)屬(shu)(shu)在(zai)室溫(wen)(wen)或零(ling)(ling)(ling)韌(ren)性(xing)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)以下(xia)的(de)(de)(de)小溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)范(fan)圍(wei)內明顯地(di)表現出缺乏韌(ren)性(xing)。這(zhe)一溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)叫做(zuo)韌(ren)性(xing)-脆性(xing)轉(zhuan)變溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)。由于脆性(xing)裂(lie)紋的(de)(de)(de)擴展(zhan)會帶來危(wei)險，所(suo)以應該(gai)避免(mian)在(zai)低于零(ling)(ling)(ling)韌(ren)性(xing)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)下(xia)使(shi)用金(jin)屬(shu)(shu)。在(zai)零(ling)(ling)(ling)韌(ren)性(xing)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)以下(xia)，裂(lie)紋擴展(zhan)所(suo)需(xu)的(de)(de)(de)能量非常少。
b. 中溫操作
絕大(da)多數在石油(you)和石化工業中使用的(de)(de)(de)(de)容器都屬(shu)于中溫(wen)操(cao)作類型。這里最重要的(de)(de)(de)(de)是要考慮(lv)發揮材料(liao)的(de)(de)(de)(de)最佳性(xing)能，其中主要的(de)(de)(de)(de)指標(biao)是設(she)計應(ying)力值、設(she)計公式的(de)(de)(de)(de)合理性(xing)和材料(liao)的(de)(de)(de)(de)韌(ren)性(xing)。
c. 高溫操作
材(cai)料在(zai)高溫(wen)(wen)使(shi)用(yong)中處于假塑(su)性(xing)(xing)或全塑(su)性(xing)(xing)狀態下，設(she)計(ji)必(bi)須(xu)以(yi)低于無彈性(xing)(xing)變(bian)(bian)形(xing)失效的(de)(de)極(ji)限應力(li)為基(ji)礎。高溫(wen)(wen)設(she)計(ji)應力(li)極(ji)限是建立在(zai)長期蠕(ru)變(bian)(bian)強度的(de)(de)基(ji)礎上并考慮金(jin)屬的(de)(de)鐵鱗阻力(li)。在(zai)高溫(wen)(wen)下所(suo)使(shi)用(yong)的(de)(de)材(cai)料應該具有(you)表6-4中的(de)(de)力(li)學性(xing)(xing)能。在(zai)溫(wen)(wen)度高于425℃時(shi)，材(cai)料要耐(nai)(nai)(nai)熱，必(bi)須(xu)保(bao)持耐(nai)(nai)(nai)蝕性(xing)(xing)、力(li)學強度、冶(ye)金(jin)穩定性(xing)(xing)、耐(nai)(nai)(nai)蠕(ru)變(bian)(bian)性(xing)(xing)、耐(nai)(nai)(nai)氧化(hua)性(xing)(xing)、應力(li)-斷裂強度、韌(ren)性(xing)(xing)和抵(di)抗燃燒(shao)氣體和接(jie)觸(chu)化(hua)學物質(zhi)的(de)(de)表面穩定性(xing)(xing)。
