耐熱鋼(gang)(gang)是指在高溫下具(ju)有高的抗氧(yang)化(hua)(hua)性和高溫強度的鋼(gang)(gang)。這樣耐熱鋼(gang)(gang)就包括抗氧(yang)化(hua)(hua)鋼(gang)(gang)和熱強鋼(gang)(gang)兩大(da)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(qiang)鋼(gang)的(de)(de)特點是(shi)在(zai)高(gao)溫下(xia)不但有良好的(de)(de)抗氧化能力，而且具(ju)有較高(gao)的(de)(de)高(gao)溫強(qiang)度。這(zhe)是(shi)因為在(zai)高(gao)溫下(xia)長(chang)時間承受載荷(he)的(de)(de)工(gong)(gong)件，會(hui)產(chan)生塑性變形，甚至斷裂(lie)。高(gao)溫強(qiang)度是(shi)鋼(gang)在(zai)高(gao)溫下(xia)抵抗塑性變形的(de)(de)能力；高(gao)強(qiang)度鋼(gang)內(nei)含有大量的(de)(de)鎳、錳(meng)、鉻等(deng)穩定奧氏體(ti)的(de)(de)元(yuan)素(su)，此外，為了提(ti)高(gao)熱(re)強(qiang)性，鋼(gang)中還(huan)加入了釩(fan)、鈮等(deng)碳化物形成元(yuan)素(su)。鎳、錳(meng)和(he)鉻等(deng)則主要是(shi)通過(guo)溶入奧氏體(ti)產(chan)生固溶強(qiang)化來(lai)提(ti)高(gao)熱(re)強(qiang)性。汽輪機(ji)(ji)、燃氣輪機(ji)(ji)的(de)(de)轉子和(he)葉片、鍋爐過(guo)熱(re)器(qi)、高(gao)溫工(gong)(gong)作的(de)(de)螺(luo)栓和(he)彈簧、內(nei)燃機(ji)(ji)進排氣閥等(deng)用鋼(gang)就屬于(yu)熱(re)強(qiang)鋼(gang)。常用的(de)(de)熱(re)強(qiang)鋼(gang)有53Cr21Mn9Ni4N、22Cr20Mn10Ni2Si2N、26Cr18Mn12Si2N、45Cr14Ni14W2Mo、24Cr18Ni18W2、22Cr21Ni11N等(deng)。
1. 耐熱(re)材料中的(de)合金化(hua)元(yuan)素
耐熱材料必須含(han)有鉻以抗(kang)氧(yang)化(hua)。鈷、鋁、硅和稀土元素(su)有助于表面氧(yang)化(hua)層的形成、穩定性和堅(jian)韌(ren)。鎳提供了強度(du)、穩定性、韌(ren)性和抗(kang)滲碳。鎢和鉬增加高溫強度(du)。
材料組及其使用溫(wen)度：當(dang)溫(wen)度高于600℃，通常考慮如下的材料：
①. 含(han)有17％～27％Cr和少量Mo的鐵素體鋼；
②. 奧氏體高(gao)溫、高(gao)強鋼(gang)（含(han)有(you)高(gao)于8％Ni的Cr-Ni-Mo鋼(gang)），如牌號(hao) 06Cr18Ni11Ti （321）， 06Cr18Ni11Nb （ 347），06Cr17Ni12Mo（316）和20Cr25Ni20（310）。
碳(tan)鋼(gang)一般用(yong)于(yu)(yu)(yu)溫(wen)度(du)不超(chao)過大約(yue)400℃，低合(he)金鋼(gang)用(yong)于(yu)(yu)(yu)溫(wen)度(du)不超(chao)過600～650℃，當超(chao)過以(yi)上(shang)溫(wen)度(du)的時候，由于(yu)(yu)(yu)蠕變(bian)而造成它(ta)們失去(qu)穩定性。在600～650℃溫(wen)度(du)范圍內，優(you)先考慮(lv)選(xuan)(xuan)用(yong)奧氏體不銹鋼(gang)。高(gao)溫(wen)下(xia)選(xuan)(xuan)用(yong)不銹鋼(gang)時，除(chu)了考慮(lv)蠕變(bian)強度(du)，還應考慮(lv)高(gao)溫(wen)腐蝕、氧化(hua)、鱗皮、碳(tan)化(hua)以(yi)及二次相的析(xi)出。
表6-3給(gei)出了材料種類及(ji)其使用溫度。
高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)用鋼評定試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)，用于評定高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)用鋼力學性(xing)能的(de)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)包(bao)括(kuo)：短(duan)期(qi)(qi)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)；長(chang)期(qi)(qi)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)；長(chang)期(qi)(qi)暴露于高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)后的(de)短(duan)期(qi)(qi)和長(chang)期(qi)(qi)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)；疲勞(lao)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)（包(bao)括(kuo)熱(re)疲勞(lao)和熱(re)沖擊試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)）；與時(shi)間有(you)關的(de)疲勞(lao)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)；韌性(xing)和韌度(du)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)。
2. 不同級(ji)別的耐熱材料使用溫度范圍
材料或構件的耐熱性是按照各種操(cao)作(zuo)(zuo)溫(wen)(wen)度(du)(du)來討論的，因為(wei)材料的基(ji)本性能(neng)與(yu)操(cao)作(zuo)(zuo)溫(wen)(wen)度(du)(du)密切相關(guan)，所以(yi)操(cao)作(zuo)(zuo)溫(wen)(wen)度(du)(du)分為(wei)四個范圍(wei)：零度(du)(du)以(yi)下操(cao)作(zuo)(zuo)；低溫(wen)(wen)操(cao)作(zuo)(zuo)（0～200℃）；中溫(wen)(wen)操(cao)作(zuo)(zuo)（200～650℃）；高溫(wen)(wen)操(cao)作(zuo)(zuo)（＞650℃）。
a. 零度以下和低溫(wen)操作
在(zai)零(ling)(ling)度以下(xia)(xia)，材(cai)料主要(yao)的使(shi)用要(yao)求是操作溫(wen)度下(xia)(xia)的韌(ren)性(xing)(xing)(xing)。鋼和有(you)色金屬經常用于在(zai)零(ling)(ling)度以下(xia)(xia)盛放(fang)、處理和輸送液(ye)化氣(qi)及(ji)變(bian)成液(ye)態的氣(qi)體。有(you)些金屬在(zai)室溫(wen)或零(ling)(ling)韌(ren)性(xing)(xing)(xing)溫(wen)度以下(xia)(xia)的小溫(wen)度范(fan)圍(wei)內(nei)明顯地表現出缺乏韌(ren)性(xing)(xing)(xing)。這一(yi)溫(wen)度叫做韌(ren)性(xing)(xing)(xing)-脆(cui)性(xing)(xing)(xing)轉變(bian)溫(wen)度。由(you)于脆(cui)性(xing)(xing)(xing)裂(lie)紋的擴展會(hui)帶來(lai)危險，所(suo)以應(ying)該避免在(zai)低于零(ling)(ling)韌(ren)性(xing)(xing)(xing)溫(wen)度下(xia)(xia)使(shi)用金屬。在(zai)零(ling)(ling)韌(ren)性(xing)(xing)(xing)溫(wen)度以下(xia)(xia)，裂(lie)紋擴展所(suo)需的能量(liang)非常少。
b. 中溫操作
絕(jue)大多數在(zai)石油和石化工業中(zhong)(zhong)使(shi)用的容器(qi)都屬于(yu)中(zhong)(zhong)溫操(cao)作類型。這(zhe)里最(zui)重要(yao)的是(shi)要(yao)考慮(lv)發揮材料的最(zui)佳性能，其中(zhong)(zhong)主要(yao)的指標(biao)是(shi)設計應力值(zhi)、設計公式的合理性和材料的韌性。
c. 高溫操作
材料(liao)在高溫使(shi)用(yong)中(zhong)處于假塑(su)性(xing)(xing)或全塑(su)性(xing)(xing)狀(zhuang)態下(xia)(xia)，設(she)計必(bi)須(xu)以(yi)低于無(wu)彈性(xing)(xing)變形失效的極(ji)(ji)限(xian)應(ying)力(li)(li)為基礎。高溫設(she)計應(ying)力(li)(li)極(ji)(ji)限(xian)是建立在長期蠕變強度的基礎上并(bing)考(kao)慮金屬的鐵鱗阻(zu)力(li)(li)。在高溫下(xia)(xia)所使(shi)用(yong)的材料(liao)應(ying)該具有表6-4中(zhong)的力(li)(li)學性(xing)(xing)能。在溫度高于425℃時(shi)，材料(liao)要耐(nai)(nai)熱(re)，必(bi)須(xu)保持耐(nai)(nai)蝕(shi)性(xing)(xing)、力(li)(li)學強度、冶金穩(wen)定性(xing)(xing)、耐(nai)(nai)蠕變性(xing)(xing)、耐(nai)(nai)氧(yang)化(hua)性(xing)(xing)、應(ying)力(li)(li)-斷裂強度、韌性(xing)(xing)和抵(di)抗燃燒氣體和接觸化(hua)學物質的表面穩(wen)定性(xing)(xing)。
