耐熱鋼（耐熱合金）和高溫合金

先來說耐熱鋼和耐熱合金。這兩者的區別并沒有明確的規定，通常將合金元素含量小于50%的稱為耐熱鋼，合金元素含量大于50%的，叫做（鐵基）耐熱合金。兩者的分別主要在于合金元素含量。

 

再來說耐熱鋼和高溫合金。耐熱鋼是指具有良好的高溫抗氧化性和高溫強度的鋼。耐熱鋼和耐熱合金在較高載荷下的最高使用溫度一般只能達到750℃～850℃。對于更高溫度下使用的部件，則采用鎳基、鈷基及難熔金屬為基的高溫合金。兩者的分別主要在于耐高溫溫度范圍。

 

高溫工況對金屬的耐熱性提出了什么挑戰？耐熱性具體的含義？

 

金屬材料的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強度兩個方面。

 

① 高溫抗氧化性

 

金屬的高溫抗氧化性是指鋼在高溫條件下對氧化作用的抗力，是鋼能否持久地在高溫下工作的重要保證條件。

 

氧化是一種典型的化學腐蝕，在高溫空氣、燃燒廢氣等氧化性氣氛中，金屬與氧接觸發生化學反應即氧化腐蝕，腐蝕產物(氧化膜)附著在金屬的表面。隨著氧化的進行，氧化膜厚度繼續增加，金屬氧化到一定程度后是否繼續氧化，直接取決于金屬表面氧化膜的性能。如果生成的氧化膜是致密、穩定的，與基體金屬結合力高，氧化膜強度較高，就能夠阻止氧原子向金屬內部的擴散，降低氧化速度，否則會加速氧化，使金屬表面起皮和脫落等，導致零件早期失效。

 

鋼表面氧化膜的組成與溫度有關，在570℃以下，氧化膜由Fe2O3+Fe3O4組成，比較致密，能有效地阻礙氧的擴散，抗氧化性較好。大于570℃加熱，氧化膜由FeO+Fe2O3+Fe3O4組成，靠近鋼表面的是FeO，向外依次為Fe3O4和Fe2O3，FeO疏松多孔，占整個氧化膜厚的90%左右，金屬原子和氧原子很容易通過FeO層擴散，加速氧化。高溫下FeO的存在，鋼的抗氧化性大大下降，而且溫度越高，原子擴散越快，氧化速度越快。

 

提高鋼的抗氧化性主要途徑是合金化，在鋼中加入Cr、Si、Al等合金元素，使鋼在高溫與氧接觸時，優先形成致密的高熔點氧化膜Cr2O3、SiO2、Al2O3等，嚴密地覆蓋住鋼的表面，阻止氧化的繼續進行。

 

② 高溫強度

 

金屬的高溫強度是指金屬材料在高溫下對機械載荷作用的抗力，即高溫下金屬材料抵抗塑性變形和破壞的能力。

 

金屬在高溫下表現出的力學性能與室溫下有較大的區別，當工作溫度大于再結晶溫度后，金屬除了受外力作用產生了塑性變形和加工硬化外，還會發生再結晶和軟化過程，因此在室溫下能正常服役的零件就難以滿足高溫下的要求。

 

金屬在高溫下的力學性能與溫度、時間、組織變化等因素有關。

 

金屬在高溫下工作常會發生“蠕變”現象，即當工作溫度大于再結晶溫度時，工作應力超過該溫度下的彈性極限時，隨時間的延長金屬發生緩慢變形的現象。金屬對蠕變的抗力越大，其高溫強度也越高。

 

金屬的高溫強度一般用蠕變極限和持久強度來表示。蠕變極限是指金屬在某溫度下，經過一段時間后，其殘余變形量達一定數值時的應力值。持久強度是指在恒定溫度下經過一定時間，金屬材料發生斷裂破壞時的應力值。

 

金屬材料在高溫下晶界強度低于晶內，因此加入合金元素提高再結晶溫度，形成穩定的特殊碳化物，以及采用粗晶材料，減少晶界等都能有效地提高鋼的高溫強度。