耐熱(re)鋼是指在(zai)高(gao)(gao)溫(wen)下具有高(gao)(gao)的抗(kang)氧化(hua)性(xing)和(he)高(gao)(gao)溫(wen)強(qiang)度(du)的鋼。這樣耐熱(re)鋼就包括抗(kang)氧化(hua)鋼和(he)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)鋼(gang)(gang)的(de)(de)特點是在(zai)高溫(wen)(wen)下(xia)不但有良好(hao)的(de)(de)抗氧(yang)化(hua)(hua)能力，而且具有較高的(de)(de)高溫(wen)(wen)強(qiang)度。這是因(yin)為在(zai)高溫(wen)(wen)下(xia)長時間承受載荷的(de)(de)工件，會產生塑性(xing)變形，甚至斷裂。高溫(wen)(wen)強(qiang)度是鋼(gang)(gang)在(zai)高溫(wen)(wen)下(xia)抵抗塑性(xing)變形的(de)(de)能力；高強(qiang)度鋼(gang)(gang)內含有大量的(de)(de)鎳、錳、鉻(ge)等(deng)(deng)穩定奧(ao)氏體(ti)的(de)(de)元(yuan)(yuan)素，此外，為了(le)提(ti)高熱強(qiang)性(xing)，鋼(gang)(gang)中(zhong)還加入(ru)了(le)釩、鈮等(deng)(deng)碳化(hua)(hua)物形成元(yuan)(yuan)素。鎳、錳和(he)鉻(ge)等(deng)(deng)則主要(yao)是通過溶入(ru)奧(ao)氏體(ti)產生固溶強(qiang)化(hua)(hua)來提(ti)高熱強(qiang)性(xing)。汽輪(lun)機、燃氣輪(lun)機的(de)(de)轉子和(he)葉片、鍋(guo)爐過熱器(qi)、高溫(wen)(wen)工作(zuo)的(de)(de)螺栓和(he)彈簧、內燃機進排氣閥等(deng)(deng)用鋼(gang)(gang)就屬(shu)于熱強(qiang)鋼(gang)(gang)。常用的(de)(de)熱強(qiang)鋼(gang)(gang)有53Cr21Mn9Ni4N、22Cr20Mn10Ni2Si2N、26Cr18Mn12Si2N、45Cr14Ni14W2Mo、24Cr18Ni18W2、22Cr21Ni11N等(deng)(deng)。
1. 耐熱(re)材(cai)料中(zhong)的合金化元(yuan)素
耐(nai)熱材料必(bi)須含(han)有鉻以(yi)抗氧(yang)化。鈷、鋁(lv)、硅和(he)(he)稀土元素有助于表面氧(yang)化層的形成、穩(wen)(wen)定性和(he)(he)堅韌。鎳提(ti)供(gong)了(le)強度(du)、穩(wen)(wen)定性、韌性和(he)(he)抗滲(shen)碳。鎢和(he)(he)鉬增加(jia)高溫強度(du)。
材料(liao)組及其使用溫度(du)：當溫度(du)高于600℃，通常考慮如下(xia)的材料(liao)：
①. 含有17％～27％Cr和少(shao)量Mo的(de)鐵素體鋼；
②. 奧氏體高溫、高強(qiang)鋼（含有高于8％Ni的(de)Cr-Ni-Mo鋼），如牌號 06Cr18Ni11Ti （321）， 06Cr18Ni11Nb （ 347），06Cr17Ni12Mo（316）和20Cr25Ni20（310）。
碳鋼(gang)一般(ban)用于溫(wen)度不(bu)超(chao)過(guo)大約400℃，低合金鋼(gang)用于溫(wen)度不(bu)超(chao)過(guo)600～650℃，當(dang)超(chao)過(guo)以(yi)上溫(wen)度的時(shi)候，由(you)于蠕變(bian)(bian)而造成(cheng)它們失去穩定性(xing)。在600～650℃溫(wen)度范圍內，優先考(kao)(kao)(kao)慮(lv)選(xuan)用奧氏體不(bu)銹鋼(gang)。高溫(wen)下選(xuan)用不(bu)銹鋼(gang)時(shi)，除了考(kao)(kao)(kao)慮(lv)蠕變(bian)(bian)強度，還應(ying)考(kao)(kao)(kao)慮(lv)高溫(wen)腐蝕、氧化(hua)、鱗(lin)皮、碳化(hua)以(yi)及二次相的析(xi)出。
表6-3給出(chu)了(le)材料種類及其使用溫度。
高(gao)溫(wen)(wen)用鋼(gang)評定(ding)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)，用于評定(ding)高(gao)溫(wen)(wen)用鋼(gang)力學性能(neng)的試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)包(bao)括：短(duan)期(qi)高(gao)溫(wen)(wen)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)；長期(qi)高(gao)溫(wen)(wen)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)；長期(qi)暴露于高(gao)溫(wen)(wen)后的短(duan)期(qi)和長期(qi)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)；疲勞試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)（包(bao)括熱疲勞和熱沖(chong)擊(ji)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)）；與(yu)時間有關的疲勞試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)；韌性和韌度(du)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)。
2. 不同級(ji)別(bie)的耐(nai)熱材料使(shi)用溫度范圍
材料或構件的耐熱性(xing)(xing)是按照(zhao)各種(zhong)操作(zuo)溫(wen)(wen)(wen)度來討論的，因為材料的基本性(xing)(xing)能與操作(zuo)溫(wen)(wen)(wen)度密切相關，所以(yi)操作(zuo)溫(wen)(wen)(wen)度分(fen)為四個范圍(wei)：零度以(yi)下操作(zuo)；低溫(wen)(wen)(wen)操作(zuo)（0～200℃）；中溫(wen)(wen)(wen)操作(zuo)（200～650℃）；高溫(wen)(wen)(wen)操作(zuo)（＞650℃）。
a. 零度以下和低溫操作
在零(ling)度(du)(du)以(yi)(yi)下，材(cai)料主(zhu)要的使用(yong)(yong)要求(qiu)是操作溫(wen)度(du)(du)下的韌(ren)(ren)性(xing)(xing)。鋼(gang)和(he)有色金(jin)(jin)(jin)屬(shu)經(jing)常用(yong)(yong)于在零(ling)度(du)(du)以(yi)(yi)下盛放、處理和(he)輸送液化(hua)氣(qi)(qi)及變成液態的氣(qi)(qi)體(ti)。有些金(jin)(jin)(jin)屬(shu)在室溫(wen)或零(ling)韌(ren)(ren)性(xing)(xing)溫(wen)度(du)(du)以(yi)(yi)下的小(xiao)溫(wen)度(du)(du)范圍內明顯地表現出缺乏韌(ren)(ren)性(xing)(xing)。這一溫(wen)度(du)(du)叫做韌(ren)(ren)性(xing)(xing)-脆性(xing)(xing)轉(zhuan)變溫(wen)度(du)(du)。由于脆性(xing)(xing)裂紋(wen)的擴(kuo)展會(hui)帶來危險(xian)，所以(yi)(yi)應(ying)該避免(mian)在低于零(ling)韌(ren)(ren)性(xing)(xing)溫(wen)度(du)(du)下使用(yong)(yong)金(jin)(jin)(jin)屬(shu)。在零(ling)韌(ren)(ren)性(xing)(xing)溫(wen)度(du)(du)以(yi)(yi)下，裂紋(wen)擴(kuo)展所需的能量非常少。
b. 中溫(wen)操作
絕(jue)大多數在石油和石化工業中使(shi)用的(de)容器都屬于中溫操作類型。這里最重要(yao)的(de)是要(yao)考(kao)慮(lv)發(fa)揮材料的(de)最佳性(xing)能(neng)，其中主要(yao)的(de)指(zhi)標是設(she)計應力值(zhi)、設(she)計公式的(de)合理(li)性(xing)和材料的(de)韌(ren)性(xing)。
c. 高溫操作
材料(liao)在高(gao)溫(wen)使用(yong)中(zhong)處于假塑(su)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)或全塑(su)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)態(tai)下，設計(ji)必須以低于無彈性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)變(bian)形失效的(de)(de)極(ji)限(xian)應(ying)力為基(ji)礎。高(gao)溫(wen)設計(ji)應(ying)力極(ji)限(xian)是建立在長期蠕(ru)變(bian)強度的(de)(de)基(ji)礎上并考慮金屬(shu)的(de)(de)鐵鱗阻力。在高(gao)溫(wen)下所使用(yong)的(de)(de)材料(liao)應(ying)該具有表(biao)6-4中(zhong)的(de)(de)力學性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能。在溫(wen)度高(gao)于425℃時，材料(liao)要(yao)耐熱，必須保持耐蝕性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)、力學強度、冶金穩定性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)、耐蠕(ru)變(bian)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)、耐氧化性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)、應(ying)力-斷裂強度、韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)和抵抗燃燒(shao)氣體和接觸化學物質的(de)(de)表(biao)面(mian)穩定性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)。
