耐熱鋼按組織的晶體結構特征可以分為奧氏體型、鐵素體型、馬氏體型和沉淀硬化型四類，其中奧氏體型、鐵素體型鋼大都用于要求抗氧化性較高的場合，馬氏體型和沉淀硬化型鋼則多用于要求高溫強度較高的場合。耐熱鋼和高溫合金的使用溫度范圍十分寬廣，從幾百度到千度以上。一般來講，耐熱鋼和高溫合金工作溫度是指該金屬或合金的（0.3~0.5）T熔點℃以上的溫度。高溫合金按基體元素分類，以鐵為主，加入的合金元素總量超過50％的鐵基合金稱為鐵基高溫合金；以鎳為主或以鈷為主的合金分別稱為鎳基或鈷基高溫合金。按制備工藝分類，有變形高溫合金，鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。按強化方式分類，有固溶強化型、沉淀強化型、金屬間化合物、氧化物彌散強化型和纖維強化型等。鐵基、鈷基和鎳基合金的使用溫度一般不超過1000℃，溫度再高就必須選用難熔金屬（指熔點高于1650℃的金屬）或其合金了。第一頁第二頁，共36頁。6.1耐熱鋼的工作條件及性能第二頁第三頁，共36頁。一、耐熱鋼的工作條件及性能要求

工作條件：在高溫下承受各種載荷，如拉伸、彎曲、扭轉、疲勞和沖擊等；與高溫蒸汽、空氣或燃氣接觸，表面發生高溫氧化或氣體腐蝕。性能要求：良好的高溫強度及塑性；有足夠的化學穩定性。6.1耐熱鋼的工作條件及性能第三頁第四頁，共36頁。二、高溫強度指標

蠕變鋼和合金在溫度和應力作用下將發生連續而緩慢的變形。1、蠕變強度在某溫度下，在規定時間達到規定變形時所能承受的應力。2、持久強度在規定溫度和規定時間斷裂所能承受的應力。3、持久壽命在規定溫度和規定應力作用下斷裂的時間。6.1耐熱鋼的工作條件及性能第四頁第五頁，共36頁。三、合金元素對化學穩定性的影響

1、Cr、Al、Si改善鋼的化學穩定性。Cr、Al、Si提高FeO出現的溫度，改善鋼的高溫化學穩定性。鋼表面氧化膜的結構：外層：Fe2O3；中間層Fe3O4；內層FeO，當FeO出現時鋼的氧化速度劇增。Cr、Al含量較高時，鋼的表面出現致密的Cr2O3或Al2O3保護膜。含硅鋼中生成Fe2SiO4氧化膜，具有良好的保護作用。Cr是提高抗氧化能力的主要元素，Al也能單獨提高鋼的抗氧化能力。Si由于增加鋼的脆性，加入量受到限制，只能作輔加元素。6.1耐熱鋼的工作條件及性能第五頁第六頁，共36頁。2、稀土金屬或堿土金屬提高鋼的抗氧化能力，特別在1000℃以上，使高溫下晶界優先氧化的現象幾乎消失。。3、W或Mo降低鋼和合金的抗氧化能力。氧化膜內層貼著金屬生成含W和Mo的氧化物，而MoO3和WO3具有低熔點和高揮發性，使抗氧化能力變壞。4、H降低化學穩定性。高于400℃的水蒸氣能使鋼氧化。3Fe+4H2O=Fe3O4+2H2

當H擴散到鋼中將引起脫碳，生成甲烷，并在晶界析出，引起裂縫，即氫腐蝕。6.1耐熱鋼的工作條件及性能第六頁第七頁，共36頁。四、耐熱鋼和耐熱合金抗氧化

和氣體腐蝕級別

腐蝕速度≤0.1mm／年：完全抗氧化；腐蝕速度＜0.1-1.0mm／年：為抗氧化；腐蝕速度＜1.0–3.0mm／年：為次抗氧化；腐蝕速度＜3.0-10.0mm／年：為弱抗氧化;腐蝕速度＞10.0mm／年：為不抗氧化。6.1耐熱鋼的工作條件及性能第七頁第八頁，共36頁。作業：1、高溫強度指標有哪些？2、合金元素對鋼的化學穩定性有哪些影響？6.1耐熱鋼的工作條件及性能第八頁第九頁，共36頁。6.2珠光體型熱強鋼第九頁第十頁，共36頁。一、低碳珠光體型熱強鋼6.2珠光體型熱強鋼1.低碳珠光體型熱強鋼的典型鋼種及應用500℃~620℃以下的熱強鋼；12Cr1MoV和12Cr2MoWSiVTiB等；12Cr1MoV用于540℃的導管或580℃的過熱蒸汽管，而12Cr2MoWSiVTiB用于600℃~620℃的過熱器管。第十頁第十一頁，共36頁。2．低碳珠光體型熱強鋼的合金化（1）低碳，一般為0.08%~0.20%。

一方面可使鋼基體組織保持有大量的鐵素體，利用鐵素體的高熔點和組織穩定性的特點獲得良好的耐熱性；而且使鋼中碳化物數量相對較少，鋼中的珠光體不易發生球化，珠光體中的滲碳體也不易發生石墨化，這有利于組織穩定。

另一方面，低碳還使鋼具有良好的加工工藝性能（如容易軋制、穿管、拉拔、延伸、焊接、冷彎等）。6.2珠光體型熱強鋼第十一頁第十二頁，共36頁。（2）主加合金元素是鉻和鉬，輔加元素是V、Ti、Nb、W等。提高鋼的熱強性的途徑有固溶強化和第二相強化。固溶強化即加入合金元素固溶強化鐵素體基體（包括珠光體和索氏體中的鐵素體），以提高鋼的熱強性和再結晶溫度；第二相強化即利用合金元素形成第二相并強化第二相，如加入合金元素形成一定數量的碳化物，并通過合金化穩定碳化物，使形成的碳化物不僅在高溫下不易球化，不易石墨化，而且在400℃~620℃形成彌散分布的、穩定性高的、不易聚集長大的碳化物，保持彌散強化作用。6.2珠光體型熱強鋼第十二頁第十三頁，共36頁。主加元素鉻和鉬是鐵素體基體的最有效的強化元素，使這類鋼的熱強性大為提高。但僅經過鉻和鉬固溶強化的鐵素體在工作溫度和應力的長期作用下，會緩慢地向碳化物中富集，而鐵和錳等其它元素則被排擠到固溶體中去，產生合金元素在使用過程中的再分配現象，其結果將導致固溶體中的強化元素減少，熱強性下降。為此鋼中還需加入一定量的輔加元素，以減少合金元素的再分配趨勢，如常加入的輔加元素主要有V、Ti、Nb等，這些合金元素與碳形成穩定的碳化物，使鉻和鉬等的固溶強化元素難以發生向碳化物轉移的再分配現象，從而保持固溶體的強化特性。6.2珠光體型熱強鋼第十三頁第十四頁，共36頁。對于第二相強化，合金化的主要目的不僅是獲得一定數量的強碳化物相，更重要的是阻止珠光體的球化和碳化物的聚集，阻止鋼中的C發生石墨化，保證并促進碳化物彌散強化。影響碳化物球化及聚集長大的主要因素是服役溫度、時間和材料的化學成分。就化學成分而言，由于這種變化是通過C原子的擴散進行的，因此這種珠光體球化及碳化物的聚集長大傾向隨著碳含量的增加而增加；在鋼中凡是降低碳的擴散速度和增加合金碳化物穩定性（或原子結合力）的元素，如Cr、Mo、V、Ti等均能阻礙或延緩珠光體球化及碳化物的聚集長大過程。6.2珠光體型熱強鋼第十四頁第十五頁，共36頁。石墨化是珠光體型鋼在工作溫度和應力長期作用下，碳化物分解成游離石墨的過程。當石墨形成后，不但消除或降低了碳化物的第二相強化作用，而且石墨存在于鋼中也割裂了基體（相當于小裂紋），使鋼的強度及塑性顯著下降。C、Al、Si等是促進石墨化元素，因此這類鋼冶煉時一般不用Al脫氧。V、Cr等是阻礙石墨化的元素。為了保證并促進碳化物彌散強化，這類鋼中常加入Mo、W、V、Nb、Ti等附加合金元素，并配合適當的熱處理，以獲得穩定的彌散強化效果。6.2珠光體型熱強鋼第十五頁第十六頁，共36頁。3．低碳珠光體型熱強鋼的熱處理采用正火加高溫回火。正火的溫度通常選擇得較高，即980℃~1020℃，以使碳化物完全溶解并均勻分布。正火可以得到相當數量的貝氏體組織，工藝簡便，生產上容易控制。回火溫度一般采用高于使用溫度100℃~150℃，通常為720℃~740℃，2h~3h。鋼經熱處理后的高溫力學性能如圖6-1所示。6.2珠光體型熱強鋼第十六頁第十七頁，共36頁。6.2珠光體型熱強鋼第十七頁第十八頁，共36頁。二、中碳珠光體型熱強鋼1.中碳珠光體型熱強鋼的典型鋼種及應用使用溫度低于過熱蒸氣管道的溫度，但對強度要求比低碳珠光體型耐熱鋼要高。這類鋼對應于中碳低合金調質鋼，制造工藝上一般采用熱鍛成形，較少要求冷彎、焊接的耐熱結構件。主要用于制作汽輪機等耐熱緊固件，汽輪機轉子（主軸、葉輪等）。典型鋼種為25Cr2Mo1VA，20Cr1Mo1VNbTiB，20Cr1Mo1VTiB，35Cr2MoV、33Cr3WMoV等。6.2珠光體型熱強鋼第十八頁第十九頁，共36頁。2．中碳珠光體型熱強鋼的合金化在低碳珠光體型熱強鋼的基礎上適當地提高碳含量以提高室溫下的屈服極限；增加Cr、Mo、V含量，促進正火后的貝氏體轉變量，得到具有高的松弛穩定性的貝氏體組織。典型鋼種25Cr2Mo1VA制做螺栓在運行過程中，會發生碳化物沿晶界析出，易引起脆性斷裂，因此又發展了20Cr1Mo1VNbTiB和20Cr1Mo1VTiB兩個耐熱緊固件鋼種。這兩種鋼采用較低的C含量，進一步加入穩定碳化物的元素Nb、Ti等，并采用B強化晶界，從而使其不但具有高的持久強度，而且具有高的持久塑性，主要用于570℃左右工作的緊固件上。6.2珠光體型熱強鋼第十九頁第二十頁，共36頁。3．中碳珠光體型熱強鋼的熱處理

一般采用油淬加高溫回火。回火通常要求高于使用溫度100℃左右。如用于要求良好的綜合機械性能的場合（例如制造轉子），還可以采用正火獲得低碳貝氏體，然后再進行回火。表6-1為典型的珠光體型熱強鋼的化學成分。表6-2為典型的珠光體型熱強鋼的力學性能、主要特性和用途舉例。6.2珠光體型熱強鋼第二十頁第二十一頁，共36頁。

6.3馬氏體型熱強鋼

第二十一頁第二十二頁，共36頁。

一、汽輪機葉片用鋼

汽輪機葉片工作溫度在450℃~620℃范圍內，和鍋爐管工作溫度相近，但要求更高的蠕變強度、耐蝕性和耐腐蝕磨損性能。Cr13型馬氏體不銹鋼經過熱處理后，在大氣、蒸氣中具有較高的機械性能和良好的耐蝕性。Cr13型馬氏體熱強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定。它們常用于制造使用溫度低于580℃的汽輪機和燃氣輪機的葉片。如前級葉片溫度較高，可選用1Cr13；后級溫度略低，沖刷磨損增加，故選用2Cr13。6.3馬氏體型熱強鋼第二十二頁第二十三頁，共36頁。Cr13型馬氏體熱強鋼中的碳化物大都是鉻的碳化物，彌散強化效果較差，而且在高溫和應力的長期作用下，鉻的碳化物的穩定性也較低。向這類鋼中再添加Mo、W、V、Nb、Ti、B等進一步提高這類鋼的合金化程度，以提高其熱強性，發展了一些新型馬氏體型熱強鋼。添加Mo、W可以使鋼中的兩種主要碳化物Cr23C6、Cr7C3

變為(Cr,Mo,W,Fe)23C6，產生一定的彌散強化作用，同時添加的Mo和W溶入固溶體，可以有效地提高固溶強化效果；添加V、Nb、Ti等更強的碳化物形成元素，則在鋼中形成復合碳化物(V,Nb,Ti)C，它比Cr23C6

型碳化物更加穩定，同時V、Nb、Ti的加入還有利于Mo、W進入固溶體，這就進一步提高了鋼的熱強性和使用溫度；添加B則可以強化晶界，降低晶界擴散，有利于提高熱強性。6.3馬氏體型熱強鋼第二十三頁第二十四頁，共36頁。Mo、W、V、Nb、Ti這些元素加入較多時容易導致在淬火時出現δ鐵素體，對鋼的蠕變強度和韌性都不利，并影響加工工藝性能。為了消除δ鐵素體，對上述合金元素含量較多的鋼種還需加入1%Ni~2%Ni以擴大γ相區，保證淬火時得到單相奧氏體組織；將Cr含量降低到12%或11%，也可減少δ鐵素體形成的傾向。表6-3為汽輪機葉片用鋼的牌號和化學成分。表6-4為汽輪機葉片用馬氏體型鋼材或試樣毛坯的熱處理制度、經熱處理后的力學性能。6.3馬氏體型熱強鋼第二十四頁第二十五頁，共36頁。二、馬氏體型耐熱鋼內燃機的進氣閥雖然在300℃~400℃下工作，但排氣閥的閥端處在燃燒室中，工作溫度常為700℃~850℃，且燃氣中又常含有V2O3、Na2O、SO2等成分，因此，閥門用鋼應有更高的熱強性、硬度、韌性、高溫下的抗氧化性、耐腐蝕性以及高溫下的組織穩定性和良好的工藝性能等。6.3馬氏體型熱強鋼第二十五頁第二十六頁，共36頁。典型鋼種4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。4Cr9Si2可用于700℃，熱處理工藝常采用1020℃~1040℃油淬，以獲得馬氏體和少量碳化物組織，700℃回火獲得保持馬氏體形貌特征的回火索氏體組織。必須指出的是，由于這類鋼具有回火脆性，所以高溫回火時應避開400℃~600℃的回火脆性區，并且回火后通常采用空冷或油冷。這類鋼主要用于制造汽輪機葉片和汽輪機或柴油機的排氣閥等。4Cr10Si2Mo則可用于750℃6.3馬氏體型熱強鋼第二十六頁第二十七頁，共36頁。鋼的C含量增高到0.4%，以提高其綜合機械性能和耐磨性；Cr、Si的配合添加，還可提高Ac1和Ac3

（4Cr9Si2的Ac1為870℃~890℃，Ac3為950℃~970℃），提高Fe2O3→FeO的相變溫度，從而提高鋼的抗氧化性和熱強性；加Mo既能提高熱強性，又能溶于Cr的碳化物中，提高其穩定性，Mo還能降低這類鋼的高溫回火脆性。典型的馬氏體型耐熱鋼的牌號和化學成分如表6-6。馬氏體型耐熱鋼棒的熱處理制度、力學性能、特性及用途如表6-7。6.3馬氏體型熱強鋼第二十七頁第二十八頁，共36頁。

6.4鐵素體型、奧氏體型及

沉淀硬化型耐熱鋼

第二十八頁第二十九頁，共36頁。一、鐵素體型耐熱鋼具有單相鐵素體組織，抗氧化性能強，還可耐含硫氣氛的腐蝕。（1）Cr13型鐵素體型耐熱鋼。這類鋼主要用于使用溫度在800℃~850℃的構件。典型的鋼種如0Cr13Al、00Cr12等。（2）Cr18型鐵素體型耐熱鋼。這類鋼主要用于使用溫度在1000℃左右的構件。典型的鋼種如1Cr17、1Cr19Al3等。（3）Cr25型鐵素體型耐熱鋼。這類鋼主要用于使用溫度在1050℃~1100℃左右的構件。典型的鋼種如2Cr25N等。鐵素體型耐熱鋼的牌號和化學成分如表6-8。鐵素體型耐熱鋼的熱處理、力學性能和用途如表6-9。6.4鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型耐熱鋼第二十九頁第三十頁，共36頁。二、奧氏體型耐熱鋼1．奧氏體型抗氧化鋼（1）Fe-Al-Mn系熱穩定鋼Al在Fe中含量增加能使鋼具有高的抗氧化性，但Al和Fe的合金是體心立方結構，高溫強度很低；Mn為了使鋼具有足夠高的高溫強度，應使鋼具有奧氏體組織。Mn含量太多對抗氧化不利。要獲得抗氧化和具有高溫強度（800℃~900℃）的全奧氏體，可根據Fe-Al-Mn三元相圖的等溫截面分析設計鋼的成分。在γ相區中獲得全奧氏體的前提下，應該使用下限Mn含量，上限Al含量。6.4鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型耐熱鋼第三十頁第三十一頁，共36頁。（2）Cr-Mn-N系熱穩定鋼Cr-Mn-N系奧氏體型熱穩定鋼（如Cr19Mn12Si2N和Cr20Mn9Ni2Si2N）和Fe-Al-Mn系鋼相比，由于還保留了大量的Cr，所以保護性氧化膜是Cr和Si的氧化物，使用溫度可從850℃~1100℃。在Cr20Mn9Ni2Si2N鋼中保留了少量的Ni，能進一步穩定奧氏體，使鋼中的Cr含量上限提高，從而提高鋼的抗氧化性，同時也改善了的工藝性能。這類鋼在高溫下有較高的持久強度，除做鑄件外，還可以制作鍛件。可用作連續加熱爐的傳送帶。6.4鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型耐熱鋼第三十一頁第三十二頁，共36頁。2．奧氏體型熱強鋼（1）固溶強化型奧氏體耐熱鋼在18-8奧氏體不銹鋼的基礎上發展起來的，它們的特點是，添加Mo、W、Nb等合金元素，提高γ固溶體的原子間結合力，強化固溶體；Nb還可以形成部分NbC，強化晶界。Mo、W、Nb等都是強鐵素體形成元素，為了保持奧氏體組織，則要在鋼中提高Ni含量或在適當提高Ni含量的同時再降低一點Cr含量，以保持奧氏體的平衡，從而將18-8型發展成18-11和14-19型的Cr-Ni成分。這類鋼具有良好的焊接性能以及熱加工和冷沖壓性能，能制管和軋成薄板，能通過薄板沖壓和焊接制成零件。6.4鐵素體型、奧氏體型及沉淀硬化型耐熱鋼第三十二頁第三十三頁，共36頁。（2）碳化物沉淀型奧氏體耐熱鋼具有較高的Cr、