特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢，本节只介绍不锈钢和耐热钢。

一、不锈钢

在腐蚀性介质中具有抗腐蚀性能的钢，一般称为不锈钢。

㈠ 金属腐蚀的概念

如前所述，腐蚀是指材料在外部介质作用下发生逐渐破坏的现象。金属的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀，如钢的高温氧化、脱碳等。电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀，是有电流参与作用的腐蚀。大部分金属的腐蚀属于电化学腐蚀。

不同电极电位的金属在电解质溶液中构成原电池，使低电极电位的阳极被腐蚀，高电极电位的阴极被保护。金属中不同组织、成分、应力区域之间都可构成原电池。

为了防止电化学腐蚀，可采取以下措施：

① 均匀的单相组织，避免形成原电池；② 提高合金的电极电位；③ 使表面形成致密稳定的保护膜，切断原电池。

㈡ 用途及性能要求

不锈钢主要在石油、化工、海洋开发、原子能、宇航、国防工业等领域用于制造在各种腐蚀性介质中工作的零件和结构。

对不锈钢的性能要求主要是耐蚀性。此外，根据零件或构件不同的工作条件，要求其具有适当的力学性能。对某些不锈钢还要求其具有良好的工艺性能。

㈢ 成分特点

1、碳含量  不锈钢的碳含量在0.03～0.95%范围内。碳含量越低，则耐蚀性越好，故大多数不锈钢的碳含量为0.1～0.2%；对于制造工具、量具等少数不锈钢，其碳含量较高，以获得高的强度、硬度和耐磨性。

2、合金元素  

⑴ 铬：铬是提高耐蚀性的主要元素。① 铬能提高钢基体的电极电位，当铬的原子分数达到1/8、2/8、3/8、…时，钢的电极电位呈台阶式跃增，称为n/8规律。所以铬钢中的含铬量只有超过台阶值（如n=1，换成质量百分数则为11.7%）时，钢的耐蚀性才明显提高。② 铬是铁素体形成元素，当铬含量大于12.7%时，使钢形成单相铁素体组织。③ 铬能形成稳定致密的Cr2O3氧化膜，使钢的耐蚀性大大提高。

⑵ 镍：加镍的主要目的是为了获得单相奥氏体组织。

⑶ 钼：加钼主要是为了提高钢在非氧化性酸中的耐蚀性。

⑷ 钛、铌：钛、铌的主要作用是防止奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀。晶间腐蚀是一种沿晶粒周界发生腐蚀的现象，危害很大。它是由于Cr23C6析出于晶界，使晶界附近铬含量降到12%以下，电极电位急剧下降，在介质作用下发生强烈腐蚀。而加钛、铌则先于铬与碳形成不易溶于奥氏体的碳化物，避免了晶界贫铬。

㈣ 常用不锈钢

目前应用的不锈钢，按其组织状态主要分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢三大类。常用不锈钢的牌号、成分、热处理及用途如表6-21所示。

1、马氏体不锈钢

主要是Cr13型不锈钢。典型钢号为1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13。随含碳量提高，钢的强度、硬度提高，但耐蚀性下降。

  ⑴ 1Cr13、2Cr13、3Cr13的热处理为调质处理，使用状态下的组织为回火索氏体。这三种钢具有良好的耐大气、蒸汽腐蚀能力及良好的综合力学性能，主要用于制造要求塑韧性较高的耐蚀件，如气轮机叶片等。

  ⑵ 4Cr13的热处理为淬火加低温回火，使用状态下的组织为回火马氏体。这种钢具有较高的强度、硬度。主要用于要求耐蚀、耐磨的器件，如医疗器械、量具等。

2、铁素体不锈钢

典型钢号如1Cr17等。这类钢的成分特点是高铬低碳，组织为单相铁素体。由于铁素体不锈钢在加热冷却过程中不发生相变，因而不能进行热处理强化，可通过加入钛、铌等强碳化物形成元素或经冷塑性变形及再结晶来细化晶粒。铁素体不锈钢的性能特点是耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好。但有脆化倾向：① 475℃脆性，即将钢加热到450~550℃停留时产生的脆化。可通过加热到600℃后快冷消除。② σ相脆性，即钢在600~800℃长期加热时，因析出硬而脆的σ相产生的脆化。这类钢广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。

 表6-21  常用不锈钢的牌号、成分、热处理、力学性能及用途（摘自GB1220-1992）

注：①表中所列奥氏体不锈钢的Si≤1%，Mn≤2%。②表中所列各钢种的P≤0.035%，S≤0.030%。

3、奥氏体不锈钢

主要是18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。这类钢的成分特点是低碳高铬镍，组织为单相奥氏体。因而具有良好的耐蚀性、冷热加工性及可焊性，高的塑韧性，这类钢无磁性。奥氏体不锈钢常用的热处理为固溶处理，即加热到920~1150℃使碳化物溶解后水冷，获得单相奥氏体组织。对于含有钛或铌的钢，在固溶处理后还要进行稳定化处理，即将钢加热到850~880℃，使钢中铬的碳化物完全溶解，而钛或铌的碳化物不完全溶解，然后缓慢冷却，使TiC充分析出，以防止发生晶间腐蚀。

常用奥氏体不锈钢为1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等，广泛用于化工设备及管道等。

奥氏体不锈钢在应力作用下易发生应力腐蚀，即在特定合金-环境体系中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。奥氏体不锈钢易在含Clˉ的介质中发生应力腐蚀，裂纹为枯树枝状。

4、其他类型不锈钢

⑴ 复相（或双相）不锈钢

典型钢号如0Cr26Ni5Mo2、03Cr18Ni5Mo3Si2等。这类钢的组织由奥氏体和铁素体两相组成（其中铁素体约占5%～20%），其晶间腐蚀和应力腐蚀倾向小，强韧性和可焊性较好，可用于制造化工、化肥设备及管道，海水冷却的热交换设备等。

⑵ 沉淀硬化不锈钢

典型钢号如0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al等，这类钢经固溶、二次加热及时效处理后，组织为在奥氏体-马氏体基体上分布着弥散的金属间化合物，主要用作高强度、高硬度且耐腐蚀的化工机械和航天用的设备、零件等。

二、耐热钢和高温合金

耐热钢和高温合金是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢及合金。它们广泛用于热工动力、石油化工、航空航天等领域制造工业加热炉、锅炉、热交换器、汽轮机、内燃机、航空发动机等在高温条件下工作的构件和零件。

㈠ 性能要求

1、高的热化学稳定性

    热化学稳定性是指金属在高温下对各种介质化学腐蚀的抗力。其中最主要的是抵抗氧化的能力，即抗氧化性。提高抗氧化性的途径主要是通过在金属表面形成一层连续致密的结合牢固的氧化膜，阻碍氧进一步的扩散，使内部金属不被继续氧化。

2、高的热强性

㈡ 成分特点

1、提高抗氧化性  加入Cr、Si、 Al可在合金表面上形成致密的Cr2O3、SiO2、Al2O3氧化膜。其中Cr的作用最大，当合金中Cr 含量为15%时，其抗氧化温度可达900℃，当Cr含量为20～25%时，抗氧化温度可达1100℃。

2、提高热强性  ①加入Cr、Ni、W、Mo等元素的作用是产生固溶强化、形成单相组织并提高再结晶温度，从而提高高温强度；②加入V、Ti、Nb、Al等元素的作用是形成弥散分布且稳定的VC、TiC、NbC等碳化物和稳定性更高的Ni3Ti、Ni3Al（g’）、Ni3Nb（g’’）等金属间化合物，它们在高温下不易聚集长大，有效地提高高温强度；③加入B、Zr、Hf、RE等元素的作用是净化晶界或填充晶界空位，从而强化晶界，提高高温断裂抗力。

㈢ 常用的耐热钢

常用耐热钢的牌号、成分、热处理、力学性能及用途如表6-22所示。

1、珠光体耐热钢

常用钢种为15CrMo和12Cr1MoV等。这类钢一般在正火+回火状态下使用，组织为珠光体加铁素体，其工作温度低于600℃。由于含合金元素量少，工艺性好，常用于制造锅炉、化工压力容器、热交换器、气阀等耐热构件。其中15CrMo主要用于锅炉零件。这类钢在长期的使用过程中，易发生珠光体的球化和石墨化，从而显著降低钢的蠕变和持久强度。通过降低含碳量和含锰量，适当加入铬、钼等元素，可抑制球化和石墨化倾向。

此外，20、20g也是常用的珠光体耐热钢，常用于壁温不超过450℃的锅炉管件及主蒸汽管道等。

2、马氏体耐热钢

    常用钢种为Cr12型（1Cr11MoV，1Cr12WMoV）、Cr13型（1Cr13，2Cr13）和4Cr9Si2等。这类钢铬含量高，其抗氧化性及热强性均高于珠光体耐热钢，淬透性好。马氏体耐热钢多在调质状态下使用，组织为回火索氏体。其最高工作温度与珠光体耐热钢相近，多用于制造600℃以下工作受力较大的零件，如汽轮机叶片和汽车阀门等。

3、奥氏体耐热钢

    奥氏体耐热钢的耐热性能优于珠光体耐热钢和马氏体耐热钢，其冷塑性变形性能和焊接性都很好，一般工作温度在600～900℃，广泛用于航空、舰艇、石油化工等工业部门制造汽轮机叶片，发动机气阀及炉管等。

    最典型的牌号是1Cr18Ni9Ti，铬的主要作用是提高抗氧化性，加镍是为了形成稳定的奥氏体，并与铬相配合提高高温强度，钛的作用是通过形成碳化物产生弥散强化。

4Cr25Ni20(HK40)及4Cr25Ni35(HP)钢是石化装置上大量使用的高碳奥氏体耐热钢。这种钢在铸态下的组织是奥氏体基体+骨架状共晶碳化物，其在高温运行过程中析出大量弥散的Cr23C6型碳化物产生强化，900℃、1MPa应力下的工作寿命达10万小时。

4Cr14Ni14W2Mo是用于制造大功率发动机排气阀的典型钢种。此钢的含碳量提高到0.4%，目的在于形成铬、钼、钨的碳化物并呈弥散析出，提高钢的高温强度。

㈣ 常用高温合金

制造航空发动机、火箭发动机及燃气轮机零部件如燃烧室、导向叶片、涡轮叶片、涡轮盘和尾喷管等所用的材料，需在高温（一般指600~1100℃）氧化气氛中和燃气腐蚀条件下承受较大应力长期工作，要求具有更高的热稳定性和热强性。显然，耐热钢已不能满足这种要求，必须选用高温合金。高温合金按基体分有铁基、镍基和钴基合金三类，其牌号为“GH+四位数字”，“GH”表示高温合金，第一位数字为1、2时表示铁基合金，3、4表示镍基合金，5、6表示钴基合金，这六个首位数字中，奇数代表固溶强化型合金，偶数代表时效硬化型合金。第二~第四位数字表示合金编号。

常用变形高温合金的牌号及化学成分列于表6-23中。

 表6-22  常用耐热钢的牌号、成分、热处理、力学性能及用途（摘自GB1221-1992）

注：①表中所列珠光体耐热钢的Si含量为0.17~0.37%，Mn含量为0.40~0.70%；奥氏体耐热钢除标明外，Si≤1%，Mn≤2%。②表中所列珠光体耐热钢的P≤0.035%，S≤0.035%，马氏体和奥氏体耐热钢的P≤0.035%，S≤0.030%。

1、铁基高温合金  这类合金是在奥氏体耐热钢的基础上增加了Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Al等元素，以进一步提高抗氧化性和热强性。常用的牌号有GH1140、GH2130、GH2302、GH2132、GH2136等。GH1140采用固溶处理，组织为单相奥氏体，具有良好的抗氧化性及冲压、焊接性能，适于制造在850℃以下工作的喷气发动机燃烧室和加力燃烧室零部件。GH2130、GH2302、GH2132、GH2136采用固溶加时效处理，析出g’第二相强化，因而高温强度高，用于制造在650~800℃下工作的受力零件，如涡轮盘、叶片、紧固件等。

2、镍基高温合金  这类合金以镍为基并加入Cr、W、Mo、Co、V、Ti、Nb、Al等元素。镍基合金组织稳定性比铁基合金高，因而具有好的抗氧化性和高的高温强度。常用的牌号有GH3030、GH3039、GH3128、GH4033、GH4037、GH4049等。前三者采用固溶处理，组织为单相奥氏体，抗氧化性、成型性及焊接性能好，用于制造在800~950℃下工作的火

焰筒及加力燃烧室等。后三者采用固溶加时效处理，g’相析出量大且尺寸稳定，具有更高的高温强度，用于制造在750~950℃下工作的受力零件，如涡轮叶片等。

       表6-23  常用变形高温合金的牌号及化学成分（GB/T 14992-94）