各種動(dòng)力機(jī)械、熱電站中的鍋爐和蒸汽輪機(jī)、航空和艦艇用的燃汽輪機(jī)以及原子反應(yīng)堆工程等結(jié)構(gòu)
中的許多結(jié)構(gòu)件是在高溫狀態(tài)下工作的。工作溫度的升高 ，一方面影響鋼的化學(xué)穩(wěn)定性；另一方面降低
鋼的強(qiáng)度。為此，要求鋼在高溫下應(yīng)具有
(1)抗蠕變、抗熱松弛和熱疲勞性能及抗氧化能力；
(2)在一定介質(zhì)中耐腐蝕的能力以及足夠的韌性；
(3)具有良好的加工性能及焊接檢 ；
(4)按照不同用途、有合理的組織穩(wěn)定性。
耐熱鋼是指在高溫下工作并具有一定強(qiáng)度和抗氧化耐腐蝕能力的鋼種，耐熱鋼包括熱穩(wěn)定鋼和熱強(qiáng)
鋼。熱穩(wěn)定鋼是指在高溫下抗氧化或執(zhí)高溫介質(zhì)腐蝕而不破壞的鋼種 ，如爐底板、爐柵等。它們工作時(shí)
的主要失效形式是高溫氧化。而單位面積上承受的載荷并不大。熱強(qiáng)鋼是指在高溫下有一定抗氧化能力
并具有足夠強(qiáng)度而不產(chǎn)生大量變形或斷裂的鋼種，如高溫螺栓、渦輪葉片等。它們工作時(shí)要求承受較大
的載荷，失效的主要原因是高溫下強(qiáng)度不夠、導(dǎo)致失穩(wěn)、失效。
1 鋼的熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定鋼
一、鋼的抗氧化性能及其提高途徑
工件與高溫空氣、蒸汽或燃?xì)饨佑|時(shí)表面要發(fā)生高溫氧化或腐蝕破壞。因此，要求工件必須具備較
好的熱穩(wěn)定性。除了加入合金元素方法外，目前還采用滲金屬的方法，如滲Cr、滲Al 或滲Si，以提高鋼
的抗氧化性能。
二、熱穩(wěn)定鋼
熱穩(wěn)定鋼(又稱抗氧化鋼)廣泛用于工業(yè)鍋爐中的構(gòu)件，如爐底板、馬弗爐、輻射管等，這種用途的熱
穩(wěn)定鋼有鐵素體（F）型熱穩(wěn)定鋼和奧氏體（A）型熱穩(wěn)定鋼兩類。
F 型熱穩(wěn)定鋼是在F 不銹鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行抗氧化合金化而形成的鋼種、具有單相F 基體，表面容易獲
得連續(xù)的保護(hù)性氧化膜。根據(jù)使用溫度 ，可分為Cr13 型鋼、Cr18 型鋼和 Cr25 型鋼等。F 型熱穩(wěn)定鋼和F
不銹鋼一樣，因?yàn)闆]有相變，所以晶粒較粗大，韌性較低，但抗氧化性很強(qiáng)。
A 型熱穩(wěn)定鋼是在A 型不銹鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)一步經(jīng)Si、Al 抗氧化合金化而形成的鋼種。A 型熱穩(wěn)定鋼
比F 型熱穩(wěn)定鋼具有更好的工藝性能和熱強(qiáng)性。但這類鋼因消耗大量的Cr、Ni 資源，故從50 年代起研
究了Fe-Al－Mn 系和Cr－Mn-N 系熱穩(wěn)定鋼來替代 ，并已取得了一定進(jìn)展。
2 金屬的熱強(qiáng)性
一、高溫下金屬材料力學(xué)性能特點(diǎn)
在室溫下，鋼的力學(xué)性能與加載時(shí)間無關(guān)，但在高溫下鋼的強(qiáng)度及變形量不但與時(shí)間有關(guān)，而且與
溫度有關(guān)，這就是耐熱鋼所謂的熱強(qiáng)性。熱強(qiáng)性系指耐熱鋼在高溫和載荷共同作用下抵抗塑性變形和破
壞的能力。由此可見在評(píng)定高溫條件下材料的力學(xué)性能時(shí)，必須用熱強(qiáng)性來評(píng)定。熱強(qiáng)性包括材料高溫
條件下的瞬時(shí)性能和長(zhǎng)時(shí)性能。
瞬時(shí)性能是指在高溫條件下進(jìn)行常現(xiàn)力學(xué)性能試驗(yàn)所測(cè)得的性能指標(biāo)。如高溫拉伸、高溫沖擊和高
溫硬度等。其特點(diǎn)是高溫、短時(shí)加載 ，一般說來瞬時(shí)性能是鋼熱強(qiáng)性的一個(gè)側(cè)面，所測(cè)得的性能指標(biāo)一
般不作設(shè)計(jì)指標(biāo)，而是作為選擇高溫材料的一個(gè)參考指標(biāo)。
長(zhǎng)時(shí)性能是指材料在高溫及載荷共同長(zhǎng)時(shí)間作用下所測(cè)得的性能，常見的性能指標(biāo)有：蠕變極限、
持久強(qiáng)度、應(yīng)力松馳高溫疲勞強(qiáng)度和冷熱疲勞等。
二、熱強(qiáng)性的影響因表及其提高途徑
1.影響耐熱鋼熱強(qiáng)性的因素
隨著溫度的升高，耐熱鋼抵抗塑性變形和斷裂的能力不斷降低，這主要是由以下兩個(gè)因素造成的：
(1)影響耐熱鋼的軟化因素。隨著溫度的升高、鋼的原子間結(jié)合力降低、原子擴(kuò)散系數(shù)增大，從而導(dǎo)
致鋼的組織由亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)定態(tài)過渡，如第二相的聚集長(zhǎng)大、多相合金中成分的變化、亞結(jié)構(gòu)異化及發(fā)生
再結(jié)晶等，這些因素都導(dǎo)致鋼的軟化。
(2)形變斷裂方式的變化。金屬材料在低溫下形變時(shí)一般都以滑移方式進(jìn)行，但隨著溫度的升高，載
荷作用時(shí)間加長(zhǎng)，這時(shí)不僅有滑移，而且還有擴(kuò)散形變及晶界的滑動(dòng)與遷移等方式。擴(kuò)散形變是在金屬
發(fā)生變形但看不到滑移線的情況下提出的。這種變形機(jī)制是高溫時(shí)金屬內(nèi)原子熱運(yùn)動(dòng)加劇 ，致使原子發(fā)
生移動(dòng)，但在無外力作用下原子的移動(dòng)無方向性，故宏觀上不發(fā)生變形；當(dāng)有外力作用時(shí)，原子移動(dòng)極
易發(fā)生且有方向性，因而促進(jìn)變形。當(dāng)溫度升高時(shí)，在外力作用下晶界也會(huì)發(fā)生滑動(dòng)和遷移 ，溫度越高，
載荷作用的時(shí)間愈長(zhǎng)，晶界的滑動(dòng)和遷移就越明顯。
常溫下金屬的斷裂在正常情況下一般都是穿晶斷裂，這是由于晶界區(qū)域晶格畸變程度大、晶內(nèi)強(qiáng)度
低于晶界強(qiáng)度所致。但隨溫區(qū)升高 ，由于晶界區(qū)域晶格畸變程度小，使原子擴(kuò)散速度增加，晶界強(qiáng)度減
弱。溫度越高，載荷作用時(shí)間越長(zhǎng)，則金屬斷裂方式更多地呈現(xiàn)為晶間斷裂。
2.提高鋼的熱強(qiáng)性途徑
基于上述分析，提高鋼的熱強(qiáng)性主要途徑有三個(gè)方面：基體強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化。
(1)基體強(qiáng)化。主要出發(fā)點(diǎn)是提高基體金屬的原子間結(jié)合力、降低固溶體的擴(kuò)散過程。研究表明，從
鋼的化學(xué)成分來說，凡是熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散系數(shù)小、能提高鋼的再結(jié)晶溫度的合金元素固溶于基體后都能
提高鋼的熱強(qiáng)性。如Mo、W、Co 和Cr 等。從固溶體的晶格類型來說，奧氏體基比鐵素體基體的熱強(qiáng)性
高。這是由于奧氏體的點(diǎn)陣排列較鐵素體致密，擴(kuò)散過程不易進(jìn)行。如在鐵基合金中，F(xiàn)e、C，Mo 等元
素在A 中的擴(kuò)散系數(shù)顯著低于在F 中的擴(kuò)散系數(shù)，這就使回復(fù)和再結(jié)晶過程減慢，第二相聚集速度減慢，
從而使鋼在高溫狀態(tài)下不易軟化。
(2)第二相強(qiáng)化。主要出發(fā)點(diǎn)是要求第二相穩(wěn)定，不易聚集長(zhǎng)大，在高溫下長(zhǎng)期保持細(xì)小均勻的彌散
狀態(tài)，因此對(duì)第二相粒子的成分和結(jié)構(gòu)有一定的要求。耐熱鋼大多用難熔合金碳化物作強(qiáng)化相，如 MC，
M23C6、M6C 等。為獲得更高的熱強(qiáng)性，可用熱穩(wěn)定性更高的全屬間化合物。如Ni3(TiAl),Ni3Ti,Ni3Al 等
作為基體的強(qiáng)化相。
(3)晶界強(qiáng)化、為減少高溫狀態(tài)下晶界的滑動(dòng)，主要有下列途徑：
①減少晶界、需適當(dāng)控制鋼的晶粒度。晶粒過細(xì)晶界多，雖然阻礙晶內(nèi)滑移，但晶界滑動(dòng)的變形量
增大、塑變 抗力降低。晶粒過大，鋼的脆性增加，所以要適當(dāng)控制耐熱鋼的晶粒度，一般在2～4 級(jí)晶
粒度時(shí)能得到較好的高溫綜合性能。
②凈化晶界。鋼中的S 和P 等低熔點(diǎn)雜質(zhì)易在晶界偏聚，并和鐵易于形成低熔點(diǎn)共晶體，從而削弱
晶界強(qiáng)度，使鋼的熱強(qiáng)性下降。在鋼中加入B 等稀土元素，可形成高熔點(diǎn)的穩(wěn)定化合物，在結(jié)晶過程中
可作為晶核，使易熔雜質(zhì)從晶界轉(zhuǎn)入晶內(nèi)，從而使晶界得到凈化，強(qiáng)化了晶界。
③填補(bǔ)晶界上空位、晶界處空位較多，使擴(kuò)散易于進(jìn)行，是裂紋易于擴(kuò)展的地方，加入B、Ti、Zr
等表面活化元素，可以填充晶界空位，阻礙晶界原子擴(kuò)散，提高蠕變抗力。
④晶界的沉淀強(qiáng)化。如果在晶界上沉淀出不連續(xù)的強(qiáng)化相，將使塑性變形時(shí)沿晶界的滑移及裂紋沿
晶界的擴(kuò)展受阻，使鋼的熱強(qiáng)性提高。例如用二次固溶處理的方法可在晶界上析出鏈狀的Cr23C6 化合物，
從而提高鋼的熱強(qiáng)性。
除此之外，還可用形變熱處理方法將晶界形狀改變?yōu)殇忼X狀晶界和在晶內(nèi)造成多邊化的亞晶界，進(jìn)
一步提高鋼的熱強(qiáng)性。
3 a-Fe 基熱強(qiáng)鋼
a-Fe 基熱強(qiáng)鋼包含珠光體型熱強(qiáng)鋼和馬氏體型熱強(qiáng)鋼、這兩類鋼在加熱和冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生a－γ轉(zhuǎn)變，
故使進(jìn)一步提高使用溫度受到限制。這類鋼在中溫下有較好的熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性及工藝性能，線膨脹系
數(shù)小，合碳量也較低，價(jià)格低廉，是適宜在600～650℃以下溫區(qū)使用的熱強(qiáng)鋼，廣泛應(yīng)用于制造鍋爐、
汽輪機(jī)及石油提煉設(shè)備等。
一，珠光體型熱強(qiáng)鋼
珠光體熱強(qiáng)鋼按合碳量和應(yīng)用特點(diǎn)可分為低碳珠光體熱強(qiáng)鋼和中碳珠光體熱強(qiáng)鋼兩類、前者主要用
于制作鍋爐鋼管，后者主要用于制作汽輪機(jī)等耐熱緊固件、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子(包含軸、葉輪)等，珠光體熱強(qiáng)鋼
的工作溫度雖然不高，但由于工作時(shí)間長(zhǎng)，加之受周圍介質(zhì)的腐蝕作用，在工作過程中可能產(chǎn)生下述的
組織轉(zhuǎn)變和性能變化。
1.珠光體的球化和碳化物的聚集。珠光體熱強(qiáng)鋼在長(zhǎng)期高溫作用下，其中的片狀碳化物轉(zhuǎn)變成球狀，
分散細(xì)小的碳化物聚集成大顆粒的碳化物。這種組織的變化將引起鋼的強(qiáng)烈轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致蠕變極限、持久
強(qiáng)度、屈服極限的降低。這種轉(zhuǎn)變是一種由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過渡的自發(fā)進(jìn)行的過程，是通過碳原
子的擴(kuò)散進(jìn)行的。
影響碳化物球化及聚集的主要因素是溫度、時(shí)間和化學(xué)成分。碳鋼最容易球化，合碳量增加會(huì)加速
球化過程。在鋼的成分中溶入固溶體并降低碳的擴(kuò)散速度和增加碳化物中原子結(jié)合力的元素如 Cr、MO、
V、Ti 等均能阻礙或延緩球化及聚集過程。
2.鋼的石墨化
鋼件在工作溫度和應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，會(huì)使碳化物分解成游離的石墨，這個(gè)過程也是自發(fā)進(jìn)行的，稱
為珠光體熱強(qiáng)鋼的石墨化過程、它不但消除了碳化物的作用，而且使石墨相當(dāng)于鋼中的小裂紋，使鋼的
強(qiáng)度和塑性顯著降低而引起鋼件脆斷。這是一種十分危險(xiǎn)的轉(zhuǎn)變過程。
向鋼中加入Cr、Ti、Nb 等合金元素，均能阻止石墨化過程；另外，在冶煉時(shí)不能用促進(jìn)石墨化的
Al 脫氧；采用退火或回火處理也能減少石墨化傾向。
3.合金元素的再分布
耐熱鋼長(zhǎng)期工作時(shí)，會(huì)發(fā)生合金元素的重新分配現(xiàn)象，即碳化物形成元素Cr、Mo 向碳化物內(nèi)擴(kuò)散、
富集，而造成固溶體合金元素貧化，導(dǎo)致熱強(qiáng)性下降。生產(chǎn)中經(jīng)常采用加入強(qiáng)碳物形成元素V、Ti、Nb
等從而阻止合金元素?cái)U(kuò)散聚集的再分布，提高鋼的熱強(qiáng)性。
4.熱脆性
珠光體型不銹鋼在某一溫度下長(zhǎng)期工作時(shí)，可能發(fā)生沖擊韌性大幅度下降，突然發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn)
象。這種脆性稱為熱脆性。它與在該溫度下某種新相的析出有關(guān)。防上熱脆性可采取如下措施 ，使鋼的
長(zhǎng)期工作溫度避開脆性區(qū)溫度；冶煉時(shí)盡量降低S、P 含量：加入適量的W、Mo 等合金元素，已發(fā)生熱
脆性的鋼，可采用600～650℃高溫回火后快冷的方法加以消除。
珠光體熱強(qiáng)鋼的熱處理，一般經(jīng)正火( Ac3＋ 50℃)處理所得到的組織是不穩(wěn)定的，為了保證在使用
溫度下組織性能穩(wěn)且一般采用高于使用溫度100℃的回火處理。
二、馬氏體型熱強(qiáng)鋼
這類鋼主要用于制造汽輪機(jī)葉片和汽輪機(jī)或柴油機(jī)的排氣閥。
應(yīng)用最早的是Cr13 型鋼，它是一種馬氏體不銹鋼。經(jīng)熱處理后，可獲得較高的機(jī)械性能和良好的耐
熱性。
Crl3 型馬氏體效強(qiáng)鋼的熱處理工藝通常采用1000～1150℃油淬，650～750℃高溫回火得到回火屈氏
體和回火索氏體組織，以保證在使用溫度下組織和性能的穩(wěn)定。它們用于制造像用溫度低于588℃的汽輪
機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的葉片。
4 γ－Fe 基熱強(qiáng)鋼
珠光體、馬氏體類熱強(qiáng)鋼一般使用溫度在650℃以下，不能適用于更高的使用溫度其原因在于，無論
是珠光體基還是馬氏體基熱強(qiáng)鋼，其基體相都是鐵素體，即先天不足。因此必須更換基作組織，即用奧
氏體。奧氏體基鋼之所以比Fe 基鋼具有更高的熱強(qiáng)性，其原因在于：γ-Fe 晶格的原子間結(jié)合力比α－
Fe 晶格的原子間結(jié)合力大；γ-Fe 擴(kuò)散系數(shù)小；γ-Fe 的再結(jié)晶溫度高(α－Fe 再結(jié)晶溫度為450～600
℃，而γ-Fe 再結(jié)晶溫度大于800℃)。
γ-Fe 基熱強(qiáng)鋼還具有良好的可焊性、抗氧化性、高的塑性和沖擊韌性。這類鋼也有一些缺點(diǎn)，如室
溫屈服強(qiáng)度低、壓力加工及切削性能較差、導(dǎo)熱性差，而在溫度變化時(shí)時(shí)效應(yīng)力大，故抗熱疲勞性能差。
但是由于熱強(qiáng)性高，所以得到了充分的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。
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