根据现行相关标准，高合金耐热钢按其组织特征可分为奥氏体型、铁素体型、马氏体型和弥散硬化型四类。按其基本合金系统，可分为铬镍型和高铬型。为提高这些耐热钢的抗氧化性、热强性并改善其加工工艺性，在这两种基本合金系统中，还分别加入了Ti、Nb、Al、W、V、Mo、B、Si、Mn和Cu等合金元素。

1.合金元素对高合金耐热钢力学性能的影响

（1）铬的影响 在铬镍型奥氏体耐热钢中，铬提高了钢在氧化环境中的热强性，其作用是通过γ固溶体强化，但强化的程度低于钼和钒。铬也是碳化物形成元素，因碳化铬的耐热性较低，其强化效果不很明显，但铬是高合金耐热钢中不可缺少的基本合金元素。

（2）碳的影响 碳是一种强烈的奥氏体形成元素，碳含量只增加万分之几就可抵消18-8型奥氏体钢中铁素体形成元素的作用。碳和氮共同提高铬镍奥氏体钢的热强性。氮的强化作用在于时效过程中形成了氮化物和碳氮化物相。

（3）硅和铝的影响 硅和铝能提高奥氏体钢的抗氧化性。在18-8型Cr-Ni钢中，w（Si）从0.4％提高到2.4％，钢在980℃下的抗氧化性可提高近20倍。但硅严重恶化稳定型奥氏体钢的焊接性。铝对Cr-Ni型奥氏体钢强化作用不大。在弥散硬化高合金耐热钢中，增加铝含量可提高室温和高温强度。

（4）钛和铌的影响 钛和铌都是强烈的碳化物形成元素，但其作用机制有所不同。在镍含量较低的奥氏体钢中，钛与碳结合成稳定的碳化物。加入少量的钛可提高钢的持久强度。铌与碳形成最难熔的碳化物之一（NbC），当w（Nb）增加到0.5％～2.0％时可提高奥氏体耐热钢的热强性，同时也改善钢的高温持久塑性。但铌可能促使碳含量较低的奥氏体钢形成近缝区液化裂纹和焊缝金属的热裂纹。

（5）钼的影响 钼提高了奥氏体耐热钢的热强性，其强化作用在于稳定了γ固溶体并使晶界强化。钼也改善奥氏体钢的短时拉伸塑性和长时拉伸塑性。对钢的焊接性产生一定的有利影响。在弥散硬化钢中，钼作为弥散硬化元素起最强烈的作用。钼的不良影响是降低了奥氏体钢的冲击韧度。

（6）钨的影响 钨的影响在很多方面相似于钼。钨单独加入时，只是强化了γ固溶体，不会使钢的热强性明显提高。不过它与其他元素共同加入奥氏体钢时，可能引起固溶体的弥散硬化。在这种情况下，钨提高了奥氏体钢的热强性，但降低其韧性。

（7）钒的影响 在Cr-Ni型奥氏体钢中，钒提高热强性的作用不大。在氧化性介质中，钒可能降低钢的抗高温氧化性。但在13％Cr钢中，V和Mo、W、Nb等元素一样，可提高钢的热强性。

（8）硼和其他合金元素的影响 硼以微量成分加入奥氏体钢时，提高了钢的热强性。例如在Cr14Ni18W2Nb型奥氏体钢中，w（B）从0.005％增加到0.015％时，钢的650℃高温持久强度从118MPa提高到了176MPa。

在高合金铬镍钢中，加入Cu、Al、Ti、B、Nb、N、P等元素可促使钢产生弥散硬化，从而提高了钢的热强性。

2.合金元素对高合金耐热钢组织的影响

在高合金钢中，合金元素按其对钢组织结构和组织转变特性的影响可分成下列两组：一组是缩小奥氏体区的元素，其中包括Si、Cr、W、Mo、Ti、V和Al等。另一组是扩大奥氏体区的元素，有Mn、Ni、Co、Cu和N等。第一组元素使铁的α→γ转变点移向较高温度，并使γ→δ转变点移向较低温度，结果使奥氏体区缩小，如图8-6所示。在合金元素的极限含量下，w（Cr）＝15％，w（W）＝8％，或w（Mo）＝3％、w（Si）＝1.5％，A₃点与A₄点重合，即γ区收缩，而α区连续地变为δ区。当这些合金元素含量较高时，即处于阴影线的右侧，从低温到高温均为纯铁素体。合金元素的临界含量取决于碳含量。在w（C）＝0％的Fe-Cr二元合金中，w（Cr）超过15％即形成铁素体钢，而当w（C）为0.25％和0.4％时，临界w（Cr）相应提高到24％和29％。

图8-6 Fe-Cr系合金在不同碳含量下的相图

在图8-6的阴影线区内则形成半铁素体钢。这种钢的一部分组织由不可转变的铁素体组成，而在较高温度下存在的奥氏体按不同的冷却速度，可转变为珠光体、贝氏体和马氏体。因此在w（C）＝0.10％的Cr13钢中，在高温下的组织由奥氏体＋δ铁素体组成。如钢从1100℃缓慢冷却，则奥氏体转变为珠光体，而δ铁素体不发生转变。从相同的高温油冷后，组织则由镶嵌δ铁素体的马氏体组成。在另一些半铁素体钢中，奥氏体在缓慢冷却时不转变为珠光体。这些钢的组织在所有温度下，均由δ铁素体和奥氏体组成，即形成了铁素体-奥氏体双相钢。

在图8-6阴影区的右侧，则形成马氏体钢，例如w（C）大于0.15％，w（Cr）＝13％～18％的铬钢。

第二组合金元素使铁的γ→α转变点移向较低温度，并使γ→δ转变点移向较高温度，由此扩大了奥氏体区，缩小了α和δ区。当w（Ni）超过30％或w（Mn）达到14％的极限含量时，A₃点一直下降到室温。这种钢从室温到接近熔点均为奥氏体组织。

当钢中存在多种合金元素时，其作用不是简单的叠加。这些元素可能相互强化，也可能引起新的作用。如在Cr-Ni钢中，铁素体形成元素Cr和奥氏体形成元素Ni共存，其作用不是相互抵消，而是Cr加强了Ni的作用。例如在w（Cr）＝18％～19％，w（Ni）＝8％～12％的高合金钢已具有纯奥氏体组织。

在铸态的焊缝金属中，例如w（Cr）＝18％和w（Ni）＝8％的铬镍钢焊缝金属则含有一定量的铁素体。这些铁素体晶体在缓慢冷却时可能富集铁素体形成元素。由于扩散速度随着温度的下降而减慢，在相继的γ结晶中不再达到完全的浓度平衡，也就不再符合平衡关系。当冷却到室温时，富集大量铁素体形成元素的区域仍为铁素体组织，形成所谓的亚稳奥氏体钢。

在高合金耐热钢中，各种合金元素对钢的组织结构和各种性能的影响程度列于表8-10。

表8-10 合金元素对高合金耐热钢性能和组织的影响

（续）

注：■—强烈 □—中等 △—微弱。

3.高合金耐热钢的标准化学成分和力学性能

我国常用的奥氏体型、铁素体型、马氏体型和沉淀硬化型高合金耐热钢的标准化学成分列于表8-11。这些钢在供货状态下的力学性能分别列于表8-12、表8-13和表8-14。部分沉淀硬化耐热钢固溶状态下的弯曲性能要求见表8-15。

表8-11 高合金耐热钢的标准化学成分（按GB/T 4238—2007）

（续）

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（续）

注：表中单值为最大值。

表8-12 奥氏体型耐热钢的标准力学性能（按GB/T 4238—2007）

① 16Cr25Ni20Si2钢板厚度大于25mm时，表列力学性能仅供参考。

表8-13 铁素体型和马氏体型耐热钢的标准力学性能（按GB/T 4238—2007）

表8-14 沉淀硬化型耐热钢的标准力学性能（按GB/T 4238—2007）

（续）

① 为HRB硬度值。

② 适用于沿宽度方向的试验。垂直于轧制方向且平行于钢板表面。

表8-15 部分沉淀硬化耐热钢经固溶处理后的弯曲性能

为适应现代电站锅炉向超临界和特超临界参数发展，近期已研制出一系列新型马氏体型和奥氏体型高合金耐热钢。这些钢的标准化学成分列于表8-16。

表8-16 电站锅炉过热器和再热器用新型奥氏体钢主要化学成分

注：括号中是钢的商品牌号（美国）。

高合金耐热钢最重要的性能是在600℃温度以上具有较高的强度和抗氧化性。表8-17列出某些典型非标准高合金耐热钢600℃以上高温力学性能数据。表8-18列出几种奥氏体耐热钢在不同温度下的蠕变强度值。

表8-17 典型非标准高合金耐热钢短时高温力学性能示例

表8-18 奥氏体耐热钢在不同温度下的蠕变强度（100000h）示例（单位：MPa）

高合金耐热钢的抗氧化性以失重率来表征。如在某一确定的温度下失重率不超过1g/（m²·h），则可认为这种钢是抗氧化的。图8-7示出18-8Ti、25-13、和25-20型铬镍奥氏体耐热钢在600℃以上温度下的抗氧化性实测数据。由图示曲线可见，18-8型铬镍奥氏体钢的抗氧化极限温度为850℃，25-13型铬镍钢的抗氧化极限温度为1000℃，而25-20型铬镍钢的抗氧化温度可达1200℃。

4.高合金耐热钢的热处理状态

各种高合金耐热钢以不同的热处理状态供货。奥氏体耐热钢极大部分以固溶处理状态供货。铁素体和马氏体耐热钢则以退火状态供货。弥散硬化耐热钢以固溶处理＋时效状态供货。各种类型高合金耐热钢的热处理参数分别见表8-12～表8-14。

图8-7 18-8Ti、25-13和25-20型铬镍奥氏体钢在高温气氛中的失重率与温度的关系曲线