熱強性

熱強性係指耐熱鋼在高温和載荷共同作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。由此可見在評定高温條件下材料的力學性能時，必須用熱強性來評定。熱強性包括材料高温條件下的瞬時性能和長時性能。

瞬時性能是指在高温條件下進行常現力學性能試驗所測得的性能指標。如高温拉伸、高温衝擊和高温硬度等。其特點是高温、短時加載，一般説來瞬時性能是鋼熱強性的一個側面，所測得的性能指標一般不作設計指標，而是作為選擇高温材料的一個參考指標。

長時性能是指材料在高温及載荷共同長時間作用下所測得的性能、常見的性能指標有：蠕變極限、持久強度、應力鬆弛、高温疲勞強度和冷熱疲勞等（詳見金屬力學性能地這是評定高温材料必須建立的性能指標）。

隨着温度的升高，耐熱鋼抵抗塑性變形和斷裂的能力不斷降低，這主要是由以下兩個因素造成的：

①影響耐熱鋼的軟化因素

隨着温度的升高，鋼的原子間結合力降低，原子擴散係數增大，從而導致鋼的組織由穩定態向亞穩態過渡、如第二相的聚集長大、多相合金中成分的變化、亞結構相化及發生再結晶等這些因素都導致鋼的軟化。

②形變斷裂方式的變化

金屬材料在低温下形變時一般都以滑移方式進行，但隨着温度的升高，載荷作用時間加長，這時不僅有滑移，而且還有擴散形變及晶界的滑動與遷移等方式。擴散形變是在金屬發生變形但看不到滑移線的情況下提出的。這種變形機制是高温時金屬內原子熱運動加劇，致使原子發生移動，但在無外力作用下原子的移動無方向性，故宏觀上不發生變形；當有外力作用時，原子移動極易發生且有方向性，因而促進變形。當温度升高時，在外力作用下晶界也會發生滑動和遷移，温度越高，載荷作用的時間愈長，晶界的滑動和遷移就越明顯。

常温下金屬的斷裂在正常情況下均屬穿晶斷裂，這是由於晶界區域晶格畸變程度大、晶內強度低於晶界強度所致。但隨温區升高，由於晶界區域晶格畸變程度小使原子擴散速度增加，晶界強度減弱。温度越高，載荷作用時間越長，則金屬斷裂方式更多地呈晶間斷裂。

基於上述分析，提高鋼的熱強性主要途徑有三個方面：基體強化、第二相強化、晶界強化。

①基體強化

主要出發點是提高基體金屬的原子間結合力、降低固溶體的擴散過程。研究表明，從鋼的化學成分來説，凡是熔點高、自擴散係數小、提高鋼的再結晶温度的合金元素固溶於基體後都能提高鋼的熱強性。如h基及M是高温合金中主要的固溶強化元素有Mo、W、Co和Cr等。從固溶體的晶格類型來説，奧氏體基比鐵素體基體的熱強性高。這是由於奧氏體的點陣排列較鐵素體緻密，擴散過程不易進行。如在鐵基合金中，Fe、C，Mo等元素在A中的擴散係數顯著低於在F中的擴散係數，這就使回覆和再結晶過程減慢，第二相聚集速度減慢，從而使鋼在高温狀態下不易軟化。

②第二相強化

主要出發點是要求第二相穩定，不易聚集長大且在高温下長期保持細小均勻的彌散狀態，因此對第二相粒子的成分和結構有一定的要求。耐熱鋼大多用難熔合金碳化物作強化相，如 MC，M23C6、M6C等。為獲得更高的熱強性，可用熱穩定性更高的全屬間化合物。如Ni3(TiAl),Ni3Ti,Ni3Al等作為基體的強化相。

③晶界強化、為減少高温狀態下晶界的滑動，主要有下列途徑：

（1）減少晶界、需適當控制鋼的晶粒度。晶粒過細晶界多，雖然阻礙晶內滑移，但晶界滑動的變形量增大、塑變抗力降低。晶粒過大，鋼的脆性增加，所以要適當控制耐熱鋼的晶粒度，一般在2～4級晶粒度時能得到較好的高温綜合性能。

（2）淨化晶界。鋼中的S和P等低熔點雜質易在晶界偏聚，並和鐵易於形成低熔點共晶體，從而削弱晶界強度，使鋼的熱強性下降。在鋼中加入B、稀土等元素，可形成高熔點的穩定化合物，在結晶過程中可作為晶核，使易熔雜質從晶界轉入晶內，從而使晶界得到淨化，強化了晶界。

（3）填補晶界上空位、晶界處空位較多，使擴散易於進行，是裂紋易於擴展的地方，加入B、Ti、Zr等表面活化元素，可以填充晶界空位，阻礙晶界原子擴散，提高蠕變抗力。

（4）晶界的沉澱強化。如果在晶界上沉澱出不連續的強化相，將使塑性變形時沿晶界的滑移及裂紋沿晶界的擴展受阻，使鋼的熱強性提高。例如用二次固溶處理的方法可在晶界上析出鏈狀的Cr23C6化合物，從而提高鋼的熱強性。

除此之外，還可用形變熱處理方法將晶界形狀改變為鋸齒狀晶界和在晶內造成多邊化的亞晶界，進一步提高鋼的熱強性。

a-Fe基熱強鋼包含珠光體型熱強鋼和馬氏體型熱強鋼、這兩類鋼在加熱和冷卻時會發生a到r轉變，故使進一步提高使用温度受到限制。這類鋼在中温下有較好的熱強性、熱穩定性及工藝性能，線膨脹係數小，含碳量也較低，價格低廉，是適宜在600～650℃以下温區使用的熱強鋼，廣泛應用於製造鍋爐、汽輪機及石油提煉設備等。