第一节　耐热钢

除了一些极特殊材料之外，一般材料所具有的通性就是在高温下变软，在低温下变硬变脆，钢材也不例外，而且在高温下铁碳合金还面临着被氧化的问题，因此需要对在高温下使用的钢材进行特殊的处理，包括加入合金元素，以使其相应组织能够在高温下保持抗氧化及高强度的特点。针对不同的使用温度，耐热钢的相与组织也不同，包括珠光体、铁素体和奥氏体耐热钢等。

一、常用耐热钢

在工业上最常用的耐热钢包括珠光体耐热钢、高铬铁素体耐热钢、铬镍奥氏体耐热钢以及高铬中硅低铝稀土耐热铸钢等。

珠光体耐热钢在700℃以下具有稳定的珠光体组织，依靠稳定的珠光体而防止氧化和尺寸变形，其化学成分含碳≥0.6％～0.8％，含铬>1％～2％，含锰1％～1.5％，含硅0.4％～0.6％，含硫磷均≤0.04％，这种成分的铸钢可以铸态应用，或者正火处理后应用。当使用温度达到1000℃时，则需采用铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢。

高铬铁素体耐热钢不仅具有耐高温的特点，还兼有耐蚀性质，它的发展演变过程是由1Cr13和0Cr13开始，逐渐开发出Cr13S13、Cr13SiAl（用于抗氧化），Cr17、Cr17Ti（抗晶间腐蚀），Cr17Mo2Ti（抗还原酸），Cr25、Cr25Ti、Cr28（抗晶间腐蚀）等铬系耐热钢。

由铁铬相图（图2-1）可知，当C≤0.08％，Cr≥1.5％时，钢水凝固后，在850℃以上为单一的α固溶体（即100％铁素体）。温度在850℃时由于Cr偏聚之处达到35％～45％，则出现σ相，且随温度下降而增多，已知Cr≥10％～90％的铁铬合金在400℃以下均有σ相出现。σ相是过渡族元素的金属间化合物，硬脆、无磁性，四方晶系（c/a=5.2），每个晶胞含30个原子，呈金刚石结构，高硬度（HRC≥68），从晶界上析出，因而增加了晶间腐蚀。Mn、Si、Nb、Ti、Mo均促使σ相析出；Ni、C、N有阻止δ析出的作用。当Cr的质量分数达27％，在550℃保持数千小时可生成σ相，加热到850℃、0.5h可使σ相溶入α中，可恢复钢的韧性。

高铬铁素体有一个475脆化问题，当Cr≥15％在400～525℃长时间保温或缓冷经此温度区间，Cr原子有序化，形成富铬的（含Cr 80％）α相，体心立方晶格，集聚在（111）面上或位错之处，此α相与母相α共格而引起较大的点阵畸变和内应力，使钢的强度增高，韧性下降，但可以经过热处理（700～800℃保温1h），而后快速冷却消除此475℃造成的脆性。铁素体耐热钢的牌号、成分、热处理和性能如表2-1所示。

铬镍奥氏体耐热钢可在1000℃的温度下使用，这种钢中大量的合金元素是铬和镍。使用铬的原因是铬在γ-Fe中的溶解度可达到13％，而在α-Fe中无限固溶，借助铬在钢的表面形成的致密而又连续的氧化膜，使钢的内部不继续受氧化。为达到此目的就不希望铬合成含铬的碳化物，对于过渡族元素，由于高温时晶型一致，镍和铬可以100％地无限固溶于γ-Fe中。镍在室温时，平衡状态下于α-Fe中溶解10％（非平衡状态大于10％），而在γ-Fe中可溶76％。由于Mn、Ni和Co在高温时使A₃下降、A₄上升，当钢中这类元素的含量达到一定数值时，钢中的γ区可被扩大到室温或室温以下，因而人们能获得奥氏体组织的钢。镍的第二个作用是钢表层中固溶的镍在高温时也可形成氧化镍薄膜，这种氧化镍和前述氧化铬都具有致密、连续、不易脱落的性质，使钢具有良好的常温力学性能，良好的焊接性能，良好的冷热加工性能，以及较高的抗高温蠕变强度，这些性能是优越于高铬无镍耐热钢。

锰虽然也有稳定奥氏体的作用，但锰的氧化物疏松且易剥落，无益于钢的抗氧化，而且锰易生成碳化物而有损于钢的常温性能，故耐热钢忌用较高的锰含量，最基本的元素是铬和镍，与其他元素适当地组合应用。

高铬中硅低铝稀土耐热铸钢在1000℃抗氧化、不起皮，并有一定的耐蚀性。铸件可用于高温炉支架，其使用寿命两年以上。铸件成本低廉，砂型铸造，铸件不需热处理，适用于静态高中温（可含有腐蚀气）条件下的构件。此钢材是作者所带领的科研小组所研发的钢种，在实际中也获得了较好的效果。其化学成分为碳<0.2％，铬为12％～15％，硅2.8％～3.3％，锰0.4％～0.5％，铝0.5％～1.0％，硫、磷均≤0.04％。铸件的显微组织为铁素体98％，若碳含量超过0.2％，则有少许（FeCr）₃C析出，对铸件的抗冲击和抗氧化都不利。材料的设计原理很简单，即使碳、铬、硅、铝等元素都溶于常温和高温环境的铁素体晶体中。通过计算工作荷重的安全性，按炉体支架的最小截面积627mm²计算，该材料的支架在800℃时可承受51MPa、900℃时可承受30MPa的载荷。其力学性能如表2-2所示。

为了测定R-1231钢材的高温抗氧化性能，将其制备成尺寸为ф10mm×20mm的试样，在900℃热空气炉中，每50h取样测氧化增重，经10000h，其表面呈灰亮色光泽，平均氧化速度为0.0163g/（m²·h），小于Cr-Mn-N钢［0.326g/（m²·h）］和Cr25Ni20钢［0.081g/（m²·h）］，结果表明该材质具有良好的抗高温氧化性能。

二、影响耐热钢高温强度的因素和机理

耐热钢或者说任何金属或合金，在高温条件下强度会极大地降低，而且随着时间的延长，连续降低，温度越高，降低越多。因而对于用于一定温度条件下的合金有一定强度蠕变率和持久强度值的问题。钢在一定温度下强度降低的根本原因是金属（或合金）的晶体点阵滑移，晶粒吞并长大，现行的条件是晶界滑移。晶界的滑移又是从最小晶粒的消失而开始的，为了提高金属或合金的高温蠕变强度和高温持久强度，晶界滑移成为了人们研究的核心问题。

金属和合金的晶粒间界上原子的排列混乱且具有黏滞性质，而且这种黏滞性的数值是与温度呈指数函数关系。以纯铝为例（见表2-3），可见金属的晶界有类似非晶质的性质，受温度的影响极大。所以金属的晶界少，即粗晶粒钢具有较高的抗蠕变性能，有较高的持久强度。

晶粒本身的硬度和强度高，则高温时蠕变率低，持久强度高。硬度的定义可以说成是抵抗变形的阻力。熔点高的金属高温蠕变率小，持久强度大，因而高熔点、大原子量的元素（如钨）作为溶质元素使之固溶于钢中有利于钢的高温强度，故Cr、Ni、Co、W、Mo、Nb、Ta等元素常用于耐热钢。

晶界上有块状碳化物存在，防止和阻碍晶界移动和晶粒吞并，有利于钢的高温持久强度。尤其是当块状化合物和曲折的晶界并存时，可防止晶界上空位连接，阻止楔形缝隙的形成而使晶界强化。弥散的第二相粒子（如碳化物、氮化物、金属间化合物、氧化物）在晶界上有利于阻止高温时晶粒的吞并，即抑制晶界滑移，而保持高温强度的持久。

合金元素的自扩散系数（D），对金属（钢或合金）的高温蠕变率和持久强度有明显的影响，通常元素的自扩散系数与其自身的熔点呈正比例关系，但碳元素例外，碳原子在钢的晶体中具有最大的自扩散系数，因而耐热钢中要求含碳量尽可能的低，最好小于0.1％。固溶元素影响蠕变强度的机理可概括如下：自扩散系数大的元素使γ-Fe的自扩散系数增大，如同碳元素与γ-Fe的关系。间隙型的溶质原子使溶剂点阵变形，并在溶质原子周围产生压应力。在置换型溶质原子固溶的情况下则按溶剂原子和溶质原子的大小，而在溶质原子周围产生压应力或拉应力，但在高温热扰动影响下，这种应力场不重要。当溶质原子集聚在刃型位错和螺型位错之中，并析出成金属间化合物，则阻碍位错移动，而增加蠕变强度。固溶元素影响溶剂点阵的堆垛层错，堆垛层错能被降低则难产生交叉滑移而增大蠕变强度，如镍基合金中加入钴即起到这种强化作用，当部分溶质元素的浓度产生偏析时，与周围的γ面心立方结构不同，使堆垛层错加宽而增大蠕变强度。

此外材料的晶体结构不同，其蠕变强度各异。金刚石结构具有最好的高温强度，其次是面心立方结构（FCC），再次是六方密堆结构（HCP），然后是体心立方结构（BCC）。在700℃以上时奥氏体钢比铁素体钢具有较高的抗蠕变强度或持久强度，即基体γ-Fe的自扩散系数（D）小于α-Fe的缘故，这仅是从晶体结构上说，以上各种因素不无影响。