耐热钢（耐热合金）和高温合金

来源：金属材料的世界(微信号：ijinshu)

讲到耐热钢（耐热合金）和高温合金，大家都明白，这些材料都是在高温工况下服役，但对于刚入行的新手，可能会有疑惑，多高的温度叫做高温？高温的工况有什么特点？为什么要叫不同名字，耐热钢、耐热合金、高温合金，它们之间到底有什么区别？

先来说耐热钢和耐热合金。这两者的区别并没有明确的规定，通常将合金元素含量小于50%的称为耐热钢，合金元素含量大于50%的，叫做（铁基）耐热合金。两者的分别主要在于合金元素含量。

再来说耐热钢和高温合金。耐热钢是指具有良好的高温抗氧化性和高温强度的钢。耐热钢和耐热合金在较高载荷下的最高使用温度一般只能达到750℃～850℃。对于更高温度下使用的部件，则采用镍基、钴基及难熔金属为基的高温合金。两者的分别主要在于耐高温温度范围。

高温工况对金属的耐热性提出了什么挑战？耐热性具体的含义？

金属材料的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度两个方面。

① 高温抗氧化性

金属的高温抗氧化性是指钢在高温条件下对氧化作用的抗力，是钢能否持久地在高温下工作的重要保证条件。

氧化是一种典型的化学腐蚀，在高温空气、燃烧废气等氧化性气氛中，金属与氧接触发生化学反应即氧化腐蚀，腐蚀产物(氧化膜)附着在金属的表面。随着氧化的进行，氧化膜厚度继续增加，金属氧化到一定程度后是否继续氧化，直接取决于金属表面氧化膜的性能。如果生成的氧化膜是致密、稳定的，与基体金属结合力高，氧化膜强度较高，就能够阻止氧原子向金属内部的扩散，降低氧化速度，否则会加速氧化，使金属表面起皮和脱落等，导致零件早期失效。

钢表面氧化膜的组成与温度有关，在570℃以下，氧化膜由Fe₂O₃+Fe₃O₄组成，比较致密，能有效地阻碍氧的扩散，抗氧化性较好。大于570℃加热，氧化膜由FeO+Fe₂O₃+Fe₃O₄组成，靠近钢表面的是FeO，向外依次为Fe₃O₄和Fe₂O₃，FeO疏松多孔，占整个氧化膜厚的90%左右，金属原子和氧原子很容易通过FeO层扩散，加速氧化。高温下FeO的存在，钢的抗氧化性大大下降，而且温度越高，原子扩散越快，氧化速度越快。

提高钢的抗氧化性主要途径是合金化，在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素，使钢在高温与氧接触时，优先形成致密的高熔点氧化膜Cr₂O₃、SiO₂、Al₂O₃等，严密地覆盖住钢的表面，阻止氧化的继续进行。

② 高温强度

金属的高温强度是指金属材料在高温下对机械载荷作用的抗力，即高温下金属材料抵抗塑性变形和破坏的能力。

金属在高温下表现出的力学性能与室温下有较大的区别，当工作温度大于再结晶温度后，金属除了受外力作用产生了塑性变形和加工硬化外，还会发生再结晶和软化过程，因此在室温下能正常服役的零件就难以满足高温下的要求。

金属在高温下的力学性能与温度、时间、组织变化等因素有关。

金属在高温下工作常会发生“蠕变”现象，即当工作温度大于再结晶温度时，工作应力超过该温度下的弹性极限时，随时间的延长金属发生缓慢变形的现象。金属对蠕变的抗力越大，其高温强度也越高。

金属的高温强度一般用蠕变极限和持久强度来表示。蠕变极限是指金属在某温度下，经过一段时间后，其残余变形量达一定数值时的应力值。持久强度是指在恒定温度下经过一定时间，金属材料发生断裂破坏时的应力值。

金属材料在高温下晶界强度低于晶内，因此加入合金元素提高再结晶温度，形成稳定的特殊碳化物，以及采用粗晶材料，减少晶界等都能有效地提高钢的高温强度。