第一節　耐熱鋼

除了一些極特殊材料之外，一般材料所具有的通性就是在高溫下變軟，在低溫下變硬變脆，鋼材也不例外，而且在高溫下鐵碳合金還面臨著被氧化的問題，因此需要對在高溫下使用的鋼材進行特殊的處理，包括加入合金元素，以使其相應組織能夠在高溫下保持抗氧化及高強度的特點。針對不同的使用溫度，耐熱鋼的相與組織也不同，包括珠光體、鐵素體和奧氏體耐熱鋼等。

一、常用耐熱鋼

在工業上最常用的耐熱鋼包括珠光體耐熱鋼、高鉻鐵素體耐熱鋼、鉻鎳奧氏體耐熱鋼以及高鉻中硅低鋁稀土耐熱鑄鋼等。

珠光體耐熱鋼在700℃以下具有穩定的珠光體組織，依靠穩定的珠光體而防止氧化和尺寸變形，其化學成分含碳≥0.6％～0.8％，含鉻>1％～2％，含錳1％～1.5％，含硅0.4％～0.6％，含硫磷均≤0.04％，這種成分的鑄鋼可以鑄態應用，或者正火處理后應用。當使用溫度達到1000℃時，則需采用鐵素體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼。

高鉻鐵素體耐熱鋼不僅具有耐高溫的特點，還兼有耐蝕性質，它的發展演變過程是由1Cr13和0Cr13開始，逐漸開發出Cr13S13、Cr13SiAl（用于抗氧化），Cr17、Cr17Ti（抗晶間腐蝕），Cr17Mo2Ti（抗還原酸），Cr25、Cr25Ti、Cr28（抗晶間腐蝕）等鉻系耐熱鋼。

由鐵鉻相圖（圖2-1）可知，當C≤0.08％，Cr≥1.5％時，鋼水凝固后，在850℃以上為單一的α固溶體（即100％鐵素體）。溫度在850℃時由于Cr偏聚之處達到35％～45％，則出現σ相，且隨溫度下降而增多，已知Cr≥10％～90％的鐵鉻合金在400℃以下均有σ相出現。σ相是過渡族元素的金屬間化合物，硬脆、無磁性，四方晶系（c/a=5.2），每個晶胞含30個原子，呈金剛石結構，高硬度（HRC≥68），從晶界上析出，因而增加了晶間腐蝕。Mn、Si、Nb、Ti、Mo均促使σ相析出；Ni、C、N有阻止δ析出的作用。當Cr的質量分數達27％，在550℃保持數千小時可生成σ相，加熱到850℃、0.5h可使σ相溶入α中，可恢復鋼的韌性。

高鉻鐵素體有一個475脆化問題，當Cr≥15％在400～525℃長時間保溫或緩冷經此溫度區間，Cr原子有序化，形成富鉻的（含Cr 80％）α相，體心立方晶格，集聚在（111）面上或位錯之處，此α相與母相α共格而引起較大的點陣畸變和內應力，使鋼的強度增高，韌性下降，但可以經過熱處理（700～800℃保溫1h），而后快速冷卻消除此475℃造成的脆性。鐵素體耐熱鋼的牌號、成分、熱處理和性能如表2-1所示。

鉻鎳奧氏體耐熱鋼可在1000℃的溫度下使用，這種鋼中大量的合金元素是鉻和鎳。使用鉻的原因是鉻在γ-Fe中的溶解度可達到13％，而在α-Fe中無限固溶，借助鉻在鋼的表面形成的致密而又連續的氧化膜，使鋼的內部不繼續受氧化。為達到此目的就不希望鉻合成含鉻的碳化物，對于過渡族元素，由于高溫時晶型一致，鎳和鉻可以100％地無限固溶于γ-Fe中。鎳在室溫時，平衡狀態下于α-Fe中溶解10％（非平衡狀態大于10％），而在γ-Fe中可溶76％。由于Mn、Ni和Co在高溫時使A₃下降、A₄上升，當鋼中這類元素的含量達到一定數值時，鋼中的γ區可被擴大到室溫或室溫以下，因而人們能獲得奧氏體組織的鋼。鎳的第二個作用是鋼表層中固溶的鎳在高溫時也可形成氧化鎳薄膜，這種氧化鎳和前述氧化鉻都具有致密、連續、不易脫落的性質，使鋼具有良好的常溫力學性能，良好的焊接性能，良好的冷熱加工性能，以及較高的抗高溫蠕變強度，這些性能是優越于高鉻無鎳耐熱鋼。

錳雖然也有穩定奧氏體的作用，但錳的氧化物疏松且易剝落，無益于鋼的抗氧化，而且錳易生成碳化物而有損于鋼的常溫性能，故耐熱鋼忌用較高的錳含量，最基本的元素是鉻和鎳，與其他元素適當地組合應用。

高鉻中硅低鋁稀土耐熱鑄鋼在1000℃抗氧化、不起皮，并有一定的耐蝕性。鑄件可用于高溫爐支架，其使用壽命兩年以上。鑄件成本低廉，砂型鑄造，鑄件不需熱處理，適用于靜態高中溫（可含有腐蝕氣）條件下的構件。此鋼材是作者所帶領的科研小組所研發的鋼種，在實際中也獲得了較好的效果。其化學成分為碳<0.2％，鉻為12％～15％，硅2.8％～3.3％，錳0.4％～0.5％，鋁0.5％～1.0％，硫、磷均≤0.04％。鑄件的顯微組織為鐵素體98％，若碳含量超過0.2％，則有少許（FeCr）₃C析出，對鑄件的抗沖擊和抗氧化都不利。材料的設計原理很簡單，即使碳、鉻、硅、鋁等元素都溶于常溫和高溫環境的鐵素體晶體中。通過計算工作荷重的安全性，按爐體支架的最小截面積627mm²計算，該材料的支架在800℃時可承受51MPa、900℃時可承受30MPa的載荷。其力學性能如表2-2所示。

為了測定R-1231鋼材的高溫抗氧化性能，將其制備成尺寸為ф10mm×20mm的試樣，在900℃熱空氣爐中，每50h取樣測氧化增重，經10000h，其表面呈灰亮色光澤，平均氧化速度為0.0163g/（m²·h），小于Cr-Mn-N鋼［0.326g/（m²·h）］和Cr25Ni20鋼［0.081g/（m²·h）］，結果表明該材質具有良好的抗高溫氧化性能。

二、影響耐熱鋼高溫強度的因素和機理

耐熱鋼或者說任何金屬或合金，在高溫條件下強度會極大地降低，而且隨著時間的延長，連續降低，溫度越高，降低越多。因而對于用于一定溫度條件下的合金有一定強度蠕變率和持久強度值的問題。鋼在一定溫度下強度降低的根本原因是金屬（或合金）的晶體點陣滑移，晶粒吞并長大，現行的條件是晶界滑移。晶界的滑移又是從最小晶粒的消失而開始的，為了提高金屬或合金的高溫蠕變強度和高溫持久強度，晶界滑移成為了人們研究的核心問題。

金屬和合金的晶粒間界上原子的排列混亂且具有黏滯性質，而且這種黏滯性的數值是與溫度呈指數函數關系。以純鋁為例（見表2-3），可見金屬的晶界有類似非晶質的性質，受溫度的影響極大。所以金屬的晶界少，即粗晶粒鋼具有較高的抗蠕變性能，有較高的持久強度。

晶粒本身的硬度和強度高，則高溫時蠕變率低，持久強度高。硬度的定義可以說成是抵抗變形的阻力。熔點高的金屬高溫蠕變率小，持久強度大，因而高熔點、大原子量的元素（如鎢）作為溶質元素使之固溶于鋼中有利于鋼的高溫強度，故Cr、Ni、Co、W、Mo、Nb、Ta等元素常用于耐熱鋼。

晶界上有塊狀碳化物存在，防止和阻礙晶界移動和晶粒吞并，有利于鋼的高溫持久強度。尤其是當塊狀化合物和曲折的晶界并存時，可防止晶界上空位連接，阻止楔形縫隙的形成而使晶界強化。彌散的第二相粒子（如碳化物、氮化物、金屬間化合物、氧化物）在晶界上有利于阻止高溫時晶粒的吞并，即抑制晶界滑移，而保持高溫強度的持久。

合金元素的自擴散系數（D），對金屬（鋼或合金）的高溫蠕變率和持久強度有明顯的影響，通常元素的自擴散系數與其自身的熔點呈正比例關系，但碳元素例外，碳原子在鋼的晶體中具有最大的自擴散系數，因而耐熱鋼中要求含碳量盡可能的低，最好小于0.1％。固溶元素影響蠕變強度的機理可概括如下：自擴散系數大的元素使γ-Fe的自擴散系數增大，如同碳元素與γ-Fe的關系。間隙型的溶質原子使溶劑點陣變形，并在溶質原子周圍產生壓應力。在置換型溶質原子固溶的情況下則按溶劑原子和溶質原子的大小，而在溶質原子周圍產生壓應力或拉應力，但在高溫熱擾動影響下，這種應力場不重要。當溶質原子集聚在刃型位錯和螺型位錯之中，并析出成金屬間化合物，則阻礙位錯移動，而增加蠕變強度。固溶元素影響溶劑點陣的堆垛層錯，堆垛層錯能被降低則難產生交叉滑移而增大蠕變強度，如鎳基合金中加入鈷即起到這種強化作用，當部分溶質元素的濃度產生偏析時，與周圍的γ面心立方結構不同，使堆垛層錯加寬而增大蠕變強度。

此外材料的晶體結構不同，其蠕變強度各異。金剛石結構具有最好的高溫強度，其次是面心立方結構（FCC），再次是六方密堆結構（HCP），然后是體心立方結構（BCC）。在700℃以上時奧氏體鋼比鐵素體鋼具有較高的抗蠕變強度或持久強度，即基體γ-Fe的自擴散系數（D）小于α-Fe的緣故，這僅是從晶體結構上說，以上各種因素不無影響。