耐熱鋼是指在高溫下具有高的抗氧化性和高溫強度的鋼。這樣耐熱鋼就包括抗氧化鋼和熱強鋼兩大類。
耐氧化性鋼的特點是在高溫下有較好的抗氧化能力（也有稱為不起皮鋼），并有一定的強度，在合金元素中能起到抗氧化作用的元素有鉻、鎳、鋁和硅，其中鉻不僅能在鋼的表面形成一層致密的穩(wěn)定的氧化膜（Cr2O3），而且還能提高鋼的高溫強度，因此鉻是耐熱鋼的基本元素。鋼的耐氧化性能，與鋼中的鉻含量有直接關系；工作溫度越高，所選用的耐熱鋼中的鉻含量也應該越高。這類鋼主要用于長期在高溫下工作，但強度要求不高的零件，如各種熱交換器、加熱爐的爐底板、滲碳箱等。耐氧化鋼中除了含有一定的鉻、鎳以外，還應加入Si、Al等合金元素，它們也能與氧形成致密的高熔點的氧化膜（SiO2、Al2O3），嚴密而牢固地覆蓋在鋼的表面，使鋼與高溫氧化性氣體隔絕，從而避免鋼的進一步氧化，一般抗氧化鋼為低碳鋼，因為碳含量增多，會降低鋼的抗氧化性，常用的奧氏體抗氧化鋼有06Cr25Ni20、06Cr23Ni13、16Cr23Ni13、06Cr20Ni11、06Cr25Ni13、14Cr23Ni18 等。這樣一來，碳、鉻、鎳和硅、鋁氮的含量就成為選用耐氧化鋼的依據了。
熱強鋼的特點是在高溫下不但有良好的抗氧化能力，而且具有較高的高溫強度。這是因為在高溫下長時間承受載荷的工件，會產生塑性變形，甚至斷裂。高溫強度是鋼在高溫下抵抗塑性變形的能力；高強度鋼內含有大量的鎳、錳、鉻等穩(wěn)定奧氏體的元素，此外，為了提高熱強性，鋼中還加入了釩、鈮等碳化物形成元素。鎳、錳和鉻等則主要是通過溶入奧氏體產生固溶強化來提高熱強性。汽輪機、燃氣輪機的轉子和葉片、鍋爐過熱器、高溫工作的螺栓和彈簧、內燃機進排氣閥等用鋼就屬于熱強鋼。常用的熱強鋼有53Cr21Mn9Ni4N、22Cr20Mn10Ni2Si2N、26Cr18Mn12Si2N、45Cr14Ni14W2Mo、24Cr18Ni18W2、22Cr21Ni11N等。
1. 耐熱材料中的合金化元素
耐熱材料必須含有鉻以抗氧化。鈷、鋁、硅和稀土元素有助于表面氧化層的形成、穩(wěn)定性和堅韌。鎳提供了強度、穩(wěn)定性、韌性和抗?jié)B碳。鎢和鉬增加高溫強度。
材料組及其使用溫度：當溫度高于600℃，通常考慮如下的材料：
①. 含有17％～27％Cr和少量Mo的鐵素體鋼；
②. 奧氏體高溫、高強鋼（含有高于8％Ni的Cr-Ni-Mo鋼），如牌號 06Cr18Ni11Ti （321）， 06Cr18Ni11Nb （ 347），06Cr17Ni12Mo（316）和20Cr25Ni20（310）。
碳鋼一般用于溫度不超過大約400℃，低合金鋼用于溫度不超過600～650℃，當超過以上溫度的時候，由于蠕變而造成它們失去穩(wěn)定性。在600～650℃溫度范圍內，優(yōu)先考慮選用奧氏體不銹鋼。高溫下選用不銹鋼時，除了考慮蠕變強度，還應考慮高溫腐蝕、氧化、鱗皮、碳化以及二次相的析出。
表6-3給出了材料種類及其使用溫度。
高溫用鋼評定試驗，用于評定高溫用鋼力學性能的試驗包括：短期高溫試驗；長期高溫試驗；長期暴露于高溫后的短期和長期試驗；疲勞試驗（包括熱疲勞和熱沖擊試驗）；與時間有關的疲勞試驗；韌性和韌度試驗。
2. 不同級別的耐熱材料使用溫度范圍
材料或構件的耐熱性是按照各種操作溫度來討論的，因為材料的基本性能與操作溫度密切相關，所以操作溫度分為四個范圍：零度以下操作；低溫操作（0～200℃）；中溫操作（200～650℃）；高溫操作（＞650℃）。
a. 零度以下和低溫操作
在零度以下，材料主要的使用要求是操作溫度下的韌性。鋼和有色金屬經常用于在零度以下盛放、處理和輸送液化氣及變成液態(tài)的氣體。有些金屬在室溫或零韌性溫度以下的小溫度范圍內明顯地表現出缺乏韌性。這一溫度叫做韌性-脆性轉變溫度。由于脆性裂紋的擴展會帶來危險，所以應該避免在低于零韌性溫度下使用金屬。在零韌性溫度以下，裂紋擴展所需的能量非常少。
b. 中溫操作
絕大多數在石油和石化工業(yè)中使用的容器都屬于中溫操作類型。這里最重要的是要考慮發(fā)揮材料的最佳性能，其中主要的指標是設計應力值、設計公式的合理性和材料的韌性。
c. 高溫操作
材料在高溫使用中處于假塑性或全塑性狀態(tài)下，設計必須以低于無彈性變形失效的極限應力為基礎。高溫設計應力極限是建立在長期蠕變強度的基礎上并考慮金屬的鐵鱗阻力。在高溫下所使用的材料應該具有表6-4中的力學性能。在溫度高于425℃時，材料要耐熱，必須保持耐蝕性、力學強度、冶金穩(wěn)定性、耐蠕變性、耐氧化性、應力-斷裂強度、韌性和抵抗燃燒氣體和接觸化學物質的表面穩(wěn)定性。
