在高温下具有良好化学稳定性或较高强度的钢称为耐热钢。高温工作条件与室温不同，工件会在远低于材料的抗拉强度的应力下破断，其原因：一是高温下钢被急剧地氧化，形成氧化皮，因受力截面逐渐缩小而导致破坏；二是温度升高，使钢的强度急剧降低而导致破坏。

耐热钢按性能可分为热稳定钢和热强钢两类。

热稳定钢（抗氧化钢）：在高温下长期工作不致因介质腐蚀而破坏的钢。

热强钢：在高温下仍具有足够的强度不会大量变形或破断的钢。

耐热钢按显微组织可分为四类。

珠光体型耐热钢：这类钢一般在正火—高温回火后使用，主要用作热强钢，工作温度为350～620 °C，常用作锅炉零件等。

马氏体型耐热钢：这类钢一般在淬火—高温回火后使用，主要用作热强钢，由马氏体型不锈钢发展而来，主要用作汽轮机叶片、阀门钢等

铁素体型耐热钢：这类钢主要用作抗氧化钢，系高铬钢加入硅、铝等元素形成，由铁素体型不锈钢发展而来，可用作加热炉的炉底板、炉栅等。

奥氏体型耐热钢：这类钢是由奥氏体型不锈钢发展而来；用作热强钢，工作温度为 600～810 °C；用作抗氧化钢，工作温度可达1 200 °C。奥氏体耐热钢可作燃气涡轮、航空发动机、工业炉耐热构件的高温材料。

耐热钢在高温下工作，因而对它的性能要求是：抗氧化性（耐热不起皮性）好；抗蠕变性、热强性、抗热松弛性和抗热疲劳性好；在高温下的组织稳定性好，以及强化机制在高温下的有效性好；耐热钢在高温温度场中要有大的热传导性，小的热膨胀性；好的铸造性、锻造性及焊接性，良好的成批生产性和经济性。

常用耐热钢的牌号及化学成分见表6.25。

6.4.3.1　金属的抗氧化性

金属在高温下的氧化是典型的化学腐蚀，即介质与金属直接接触而发生化学反应产生的腐蚀，腐蚀产物即氧化膜附着在金属表面。若能在金属表面形成一层致密的、完整的并能与金属表面牢固结合的氧化膜，则金属将不再被氧化。

碳钢不具备这种氧化膜。碳钢的氧化膜为

560 °C以下：基体＋Fe3O4＋Fe2O3；

560 °C以上：基体＋FeO＋Fe3O4＋Fe2O3。

各层氧化膜的厚度比为FeO∶Fe3O4∶Fe2O3＝100∶10∶1。

高温下最厚的氧化膜是FeO，FeO是Fe原子的缺位固溶体，属于简单立方点阵，存在空隙，Fe2＋易通过FeO层向外扩散，O原子也易于向内扩散，加剧Fe的氧化。

从钢的高温氧化机理可知：要提高钢在高温下的抗氧化性，则有防止FeO的形成，或提高其形成温度两条途径。实现这条途径的基本方法则是采用合金化的方法。

表6.25　常用耐热钢的牌号与化学成分、热处理、力学性能及应用举例（摘自GB/T 1221—2007）

主要用于提高钢抗氧化性的合金元素是：Cr、Si、Al，这些元素形成的氧化膜致密，并能与钢基体牢固结合，能提高钢的抗氧化性。

6.4.3.2　钢的热强性能（高温机械性能）

金属在高温下长时间承受载荷时，工件在远低于抗拉强度的应力下会产生破断；在工作应力远低于屈服应力的情况下，会连续缓慢地发生塑性变形。

在短时加载试验时，随着温度的提高，钢的强度、硬度逐渐降低，塑性逐渐提高；但随着载荷作用时间的延长，钢的高温强度不断降低，塑性也降低，而且温度越高，降低越多。

温度升高，晶粒和晶界强度都要下降，但是晶界缺陷较多，原子扩散较晶内快，故晶界强度下降比晶粒快。到一定温度，原来室温下晶界强度高于晶内的状况，会转变为晶界强度低于晶内强度。晶内和晶界强度相等的温度称为等强温度。

当零件工作温度高于等强温度时，金属的断裂形式将由低温时的穿晶断裂转变为晶间断裂，即由韧性断裂转变为脆性断裂。

与常温下的σs相似，表征材料在高温长期载荷作用下对塑性变形的抵抗能力的指标是蠕变极限。蠕变极限有两种表示方式：一种是在给定温度下，使试样产生规定蠕变速率的应力值；另一种是在给定温度下和规定时间内，使试样产生一定蠕变伸长率的应力值。

与常温下的σb相似，表征材料高温长期载荷作用下对断裂的抵抗能力的指标是持久强度。金属的持久强度，是在给定温度下和规定时间内材料断裂所能承受的最大应力值。

以下几条途径可以提高热强性：

（1）基体的固溶强化：基体的熔点高，耐热性提高。基体的强度取决于原子结合力的大小，高温时，奥氏体钢比铁素体钢热强性高。加入合金元素形成单相固溶体，可提高基体金属的热强性。Cr、Mo、W、Nb等都有固溶强化作用。加入原则应为少量多元。

（2）晶界强化：在钢中加入B、稀土等与晶界偏聚的S、P等形成高熔点化合物，以净化晶界，可使晶界得到强化。减少晶界也可提高钢的热强性，晶粒度应控制在2～4级内，晶粒过于粗大，则钢的脆性将增大。加入B、Ti、Zr等元素以填充晶界上的空位，降低晶界上的扩散，可提高钢的蠕变抗力。在晶界上沉淀出不连续的强化相，也可提高钢的热强性。

（3）弥散相（第二相）强化：时效析出的弥散强化相，如难熔合金的碳化物MC、M6C碳化物等和热稳定性更高的金属间化合物Ni3Ti、Ni3Al、Ni3（Ti、Al）等，它们在高温下能长期保持细小均匀的弥漫状态，对提高钢在高温下的强度有重要作用。

实际应用时，一般都综合采用了以上方法。(www.daowen.com)

6.4.3.3　抗氧化钢（热稳定性钢）

（1）铁素体型抗氧化钢

铁素体型抗氧化钢是在铁素体型不锈钢基础上进行抗氧化合金化而形成的钢种。这类钢具有单相铁素体基体，表面容易获得连续的保护性氧化膜。其特点是无相变，有晶粒长大倾向，韧性较低，不宜做承受冲击负荷的零件，但它们的抗氧化性强，在含硫的气氛中有好的耐蚀性，适宜制作各种承受应力不大的炉用构件，如退火炉罩、热交换器等。

铁素体型抗氧化钢一般在700～850 °C退火后使用。

（2）奥氏体型抗氧化钢

奥氏体型抗氧化钢是在奥氏体型不锈钢的基础上进一步经Si、Al抗氧化合金化形成的钢种，比铁素体型抗氧化钢有更好的工艺性和热强性。

低碳Cr-Ni系的06Cr19Ni10，是应用很广的不锈耐氧化钢，06Cr23Ni13、06Cr25Ni20的抗氧化性随铬含量的增加而提高。高碳 Cr-Ni 系的钢使用温度与相同铬镍含量的低碳 Cr-Ni系钢相同，强度较高些。Cr-Ni-Si 系的 06Cr18Ni13Si4 抗氧化性与 06Cr25Ni20 相当，而16Cr20Ni14Si2、16Cr25Ni20Si2则有较高的高温强度，适宜制作承受应力的各种炉用构件。Cr-Mn-Si-N系的26Cr18Mn12Si2N钢和22Cr20Mn10Ni2Si2N钢，以Mn、N部分或完全代替Ni，具有较高的高温强度和一定的抗氧化性，并且具有较好的抗硫及抗增碳性，可用作渗碳炉构件等。22Cr20Mn10Ni2Si2N还可用于盐浴炉坩埚等。

奥氏体型抗氧化钢与奥氏体型不锈钢一样，均在固溶处理后使用。

6.4.3.4　热强钢

热强钢有珠光体型、马氏体型和奥氏体型三类。

（1）珠光体型热强钢

珠光体型热强钢是指在正火状态下，显微组织由珠光体加铁素体所组成的耐热钢。它的合金元素含量少，工艺性能好，广泛用作在600 °C以下工作的动力工业和石油工业的构件。

珠光体热强钢按含碳量的高低可分为两类：

低碳珠光体型热强钢：主要用作锅炉管等，工作温度范围为500～600 °C；

中碳珠光体型热强钢：主要用作耐热紧固件、汽轮机转子等（包含轴、叶轮）。

高压锅炉管用珠光体型热强钢的成分见表6.26。由表可见其成分特点是：低碳，0.08%～0.20%的低含碳量，首先使钢具有良好的加工性能。主加合金元素为Cr、Mo，主要作用是固溶强化铁素体，提高热强性和再结晶温度，并有阻止珠光体球化和石墨化的作用。辅加合金元素为V、Ti、W，主要作用是形成稳定碳化物，阻止Cr、Mo向碳化物中转移，保持固溶体的强化特性，同时阻止珠光体球化和石墨化。

表6.26　高压锅炉管用珠光体型热强钢的牌号和化学成分（摘自GB 5310—2008）

低碳珠光体型热强钢一般在正火或正火＋高温回火后使用。正火温度一般选择较高，为Ac3＋50 °C（900～1 020 °C），以使碳化物完全溶解并均匀分布。回火温度则应高于使用温度100～150 °C，（常用720～740 °C，2～3 h），以提高使用温度下的组织稳定性。

高温紧固件及汽轮机转子用珠光体型热强钢的成分见表6.27。由表可见其成分特点是：含碳量 0.17%～0.35%，较锅炉管用钢含碳量高，因而强度更高，工艺上主要采用热锻成型。其合金化原理与低碳珠光体型相同，以Cr、Mo、Ni为主要合金元素，固溶强化铁素体，V、Ti、Nb、W等为辅加合金元素，形成稳定碳化物，B强化晶界，以提高热强性。

表6.27　高温紧固件及汽轮机转子用钢的牌号和化学成分（摘自DL/T 439—2018、JB/T 7022—2014）

25Cr2Mo1V采用二次正火＋回火的松弛稳定性较淬火＋回火后高，是因为正火获得了部分贝氏体组织。第一次正火温度较高（1 030～1 050 °C），使碳化物溶解较完全，以提高抗松弛能力，第二次正火温度较低（950～970 °C），使晶粒度细些，以改善缺口敏感性。

35CrMoV、34CrNi3Mo 等钢一般采用淬火＋高温回火的热处理方式，热处理后的组织为回火索氏体。

（2）马氏体型热强钢

马氏体型热强钢主要有两类：一类是Cr12型钢，主要用作汽轮机叶片用钢；另一类是铬硅型钢，主要用作排气阀钢。

Cr12型叶片用钢是在Cr13型不锈钢的基础上进一步合金化，提高了热强性的钢种。其成分特点是，主加合金元素为Cr、Mo，Cr、Mo主要溶入固溶体中，以提高固溶强化效果来提高热强性。加入V、W、Nb等强碳化物形成元素，优先与碳形成碳化物，有利于Cr、Mo溶入固溶体，同时有析出强化效应，进一步提高了热强性和使用温度。叶片的工作温度在450～620 °C，叶片用钢则需在调质态下使用，回火温度需高于工作温度。例如，14Cr11MoV的淬火温度为 1 050～1 100 °C，回火温度为 720～740 °C。这类钢的淬透性很强，淬火空冷可得马氏体，回火组织则为回火屈氏体＋回火索氏体。

内燃机排气阀阀端处在燃烧室中，工作温度为 600～800 °C，最高 850 °C，且要求抗燃气中的PbO、V2O5、Na2O、SO2等的腐蚀。阀门的高速运动和频繁的启动，还使阀门受到机械疲劳和热疲劳，阀门对冲刷的燃气和阀门座的相对运动，还使阀门受冲刷腐蚀磨损以及摩擦磨损。因此，阀门钢应有高的热强性、硬度、韧性、高温下的抗氧化性、耐腐蚀性，以及高温下的组织稳定性和良好的工艺性等。

气阀钢的含碳量在0.40%左右，以提高综合力学性能和耐磨性；Cr、Si复合合金化，以提高抗氧化、抗热疲劳及回火稳定性；加入Mo，以减轻回火脆性，提高热强性。

典型钢种有42Cr9Si2、40Cr10Si2Mo等。

气阀钢在淬火高温回火后使用。42Cr9Si2经 1 020～1 040 °C油淬后的组织为马氏体＋碳化物；经 700～780　°C 回火，油冷后的组织则为回火索氏体＋碳化物，用于工作温度低于 700 °C的排气阀。

40Cr10Si2Mo经1 010～1 040 °C油淬后的组织也为马氏体＋碳化物；经720～760 °C回火空冷后的组织为回火索氏体＋碳化物，用于工作温度低于750℃的排气阀。

（3）奥氏体型热强钢

奥氏体型热强钢的工作温度为600～800℃，高于珠光体型及马氏体型热强钢，其主要原因是，γ-Fe的原子结合力较α-Fe大，合金元素在γ-Fe中的扩散系数小，γ-Fe的再结晶温度约800 °C，也高于α-Fe 450～600 °C的再结晶温度。另外，奥氏体型钢的塑、韧性好，焊接性及冷加工等工艺性能也好于珠光体型及马氏体型热强钢。虽然奥氏体型钢的切削加工性较差，但由于热强性的优点，奥氏体型钢仍得到充分的发展和广泛的应用。