耐熱鋼（耐熱合金）和高溫合金

講到耐熱鋼（耐熱合金）和高溫合金，大家都明白，這些材料都是在高溫工況下服役，但對(duì)于剛?cè)胄械男率郑赡軙?huì)有疑惑，多高的溫度叫做高溫？高溫的工況有什么特點(diǎn)？為什么要叫不同名字，耐熱鋼、耐熱合金、高溫合金，它們之間到底有什么區(qū)別？

先來說耐熱鋼和耐熱合金。這兩者的區(qū)別并沒有明確的規(guī)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(qiáng)度的鋼。耐熱鋼和耐熱合金在較高載荷下的可使用溫度一般只能達(dá)到750℃～850℃。對(duì)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(duì)金屬的耐熱性提出了什么挑戰(zhàn)？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(qiáng)度兩個(gè)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(duì)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(xué)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)即氧化腐蝕，腐蝕產(chǎn)物(氧化膜)附著在金屬的表面。隨著氧化的進(jìn)行，氧化膜厚度繼續(xù)增加，金屬氧化到一定程度后是否繼續(xù)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(wěn)-定的，與基體金屬結(jié)合力高，氧化膜強(qiáng)度較高，就能夠阻止氧原子向金屬內(nèi)部的擴(kuò)散，降低氧化速度，否則會(huì)加速氧化，使金屬表面起皮和脫落等，導(dǎo)致零件早期失效。

鋼表面氧化膜的組成與溫度有關(guān)，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(kuò)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，F(xiàn)eO疏松多孔，占整個(gè)氧化膜厚的90%左右，金屬原子和氧原子很容易通過FeO層擴(kuò)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(kuò)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(shí)，優(yōu)先形成致密的高熔點(diǎn)氧化膜Cr2O3、SiO2、Al2O3等，嚴(yán)密地覆蓋住鋼的表面，阻止氧化的繼續(xù)進(jìn)行。

②高溫強(qiáng)度

金屬的高溫強(qiáng)度是指金屬材料在高溫下對(duì)機(jī)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(xiàn)出的力學(xué)性能與室溫下有較大的區(qū)別，當(dāng)工作溫度大于再結(jié)晶溫度后，金屬除了受外力作用產(chǎn)生了塑性變形和加工硬化外，還會(huì)發(fā)生再結(jié)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(xué)性能與溫度、時(shí)間、組織變化等因素有關(guān)。

金屬在高溫下工作常會(huì)發(fā)生“蠕變”現(xiàn)象，即當(dāng)工作溫度大于再結(jié)晶溫度時(shí)，工作應(yīng)力超過該溫度下的彈性極限時(shí)，隨時(shí)間的延長金屬發(fā)生緩慢變形的現(xiàn)象。金屬對(duì)蠕變的抗力越大，其高溫強(qiáng)度也越高。

金屬的高溫強(qiáng)度一般用蠕變極限和持久強(qiáng)度來表示。蠕變極限是指金屬在某溫度下，經(jīng)過一段時(shí)間后，其殘余變形量達(dá)一定數(shù)值時(shí)的應(yīng)力值。持久強(qiáng)度是指在恒定溫度下經(jīng)過一定時(shí)間，金屬材料發(fā)生斷裂破壞時(shí)的應(yīng)力值。

金屬材料在高溫下晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)，因此加入合金元素提高再結(jié)晶溫度，形成穩(wěn)-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(qiáng)度。