低合金耐热钢具有很好的抗氧化性和热强性，广泛用于电力、石油化工部门，如制造蒸汽动力发电设备等。提高锅炉蒸汽温度比提高蒸汽压力对机组效率的影响更显著，可是由于受到耐热钢耐温性能的限制，只能用提高蒸汽压力来提高机组效率。但如果锅炉蒸汽温度不提高，仅依靠提高蒸汽压力来提高机组效率，就意味着要选用蠕变断裂强度低、使用温度低的耐热钢，如12Cr1MoV等。当锅炉蒸汽压力从13.7MPa提高到16.7MPa或25.5MPa时，就必须使管道的壁厚大大增加。
管道壁厚的增加给弯管、焊接、热处理、探伤等带来了很多困难。管壁加厚更会引起热应力增大，加剧热疲劳损伤，而且由于自重增大，焊接结构和支吊架等的强度、刚度都成了设计部门要考虑的问题。因此，要提高大型火电机组效率，首先要提高锅炉蒸汽温度。世界各国一直在致力于开发与研制新的低合金耐热钢，使它们能使用于更高的温度区间。不同工业部门所用钢材的使用温度范围如图9-16所示。
1.低合金耐热钢的合金系
就目前世界各国发展情况看，耐热钢可分为两个发展方向：一是铁素体耐热钢（属低合金耐热钢），二是奥氏体耐热钢（属高合金耐热钢）。所谓珠光体、贝氏体、马氏体耐热钢，按国际惯例，归属于铁素体耐热钢。
低合金耐热钢中Cr的质量分数为0.5％～9％，Mo的质量分数为0.5％或1％。随着Cr、Mo含量的增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能也都增加。在Cr-Mo钢中加入少量V、W、Nb、Ti等元素后，可进一步提高钢的热强性。低合金耐热钢的合金系基本上分为：Cr-Mo系、Cr-Mo-V系、Cr-Mo-W-V系、Cr-Mo-W-V-B系、Cr-Mo-V-Ti-B系等。
这类钢正火后的基体组织以珠光体为主，也称为珠光体耐热钢，是用量最广泛的低合金耐热钢。严格来说，这类钢应叫做低、中合金耐热钢，以区别于以Ni、Cr为主的高合金耐热钢（即不锈耐热钢）。但是，尽管低合金耐热钢中Cr的质量分数有时达到9％，习惯上仍将其归类为低合金耐热钢。
图9-16 不同工业部门所用钢材的使用温度范围
A—碳钢及普通低合金钢 B—Cr-Mo珠光体耐热钢 C—5Cr-0.5Mo钢 D—9Cr-1Mo钢 E—Cr-Ni奥氏体钢 F—高温合金
为了提高耐热钢的热强性，可通过以下三种合金化方式实现强化：
（1）基体固溶强化 加入合金元素强化铁素体基体，常用的Cr、Mo、W、Nb元素能显著提高热强性。其中，Mo、W的固溶强化作用最显著；Cr质量分数在1％左右的强化作用已很显著，继续增加Cr含量的强化效果不显著，但可提高持久强度。
（2）第二相沉淀强化 在铁素体为基体的耐热钢中，强化相主要是合金碳化物（V4C3或VC、NbC、TiC等）。沉淀强化作用可维持到0.7TM（TM为熔点），固溶强化效果在0.6TM以上显著减弱。但碳化物种类、形态及其弥散度对热强性影响很大。其中体心立方晶系的碳化物V4C3、NbC、TiC等最为有效；Mo2C在温度低于520℃时有一定沉淀强化作用；Cr7C3及Cr23C6在540℃左右已极不稳定而易于聚集。
（3）晶界强化 加入微量元素（RE、B、Ti＋B等）吸附于晶界，延缓合金元素沿晶界的扩散，从而强化晶界。
在能形成稳定合金碳化物的前提下，提高含碳量对热强性是有利的。在Cr-Mo-V或Cr- Mo-W-V低合金耐热钢中，V／C质量分数比为4时，V与C可全部结合成V4C3，且呈细小弥散分布，蠕变抗力和持久强度最高。如果钢中同时存在V与Ti，当（V＋Ti）／C＝4.5～6时具有最高的热强性。显然，碳和强碳化物形成元素的含量要有适宜的配合。若钢中不存在强碳化物形成元素时，例如Mo钢或低Cr-Mo钢，提高含碳量不利于提高热强性。因为这时形成的碳化物Mo2C或Cr7C3不稳定而易于聚集长大，同时还减少Mo、Cr的固溶强化作用，所以热强性反而降低。这种情况下，含碳量偏低一些有好处。
在低合金耐热钢中，Cr对热强性的影响比较复杂。最佳Cr含量同钢中的其他成分有关，也与工作温度有关。例如Cr-0.5％Mo钢在595℃时，Cr的质量分数在5％左右具有最大的蠕变抗力。而Cr-1％Mo钢在595℃时，Cr的质量分数在7.5％左右具有最大的蠕变抗力。Cr-Mo-V钢在600℃时，Cr的质量分数为1％～2％即可得到最大的蠕变抗力和持久强度。
低合金耐热钢发展的另一个趋势是不断提高耐热性，电站设备的热电参数如能提高到650℃，效率可由目前的39.8％提高到43％。当前开发的Cr-Mo耐热钢中增加了Cr含量和添加了V和W，使耐热性得到进一步提高。
2.珠光体耐热钢
合金元素Cr能形成致密的氧化膜，提高钢的抗氧化性。Mo是耐热钢中的强化元素，形成碳化物的能力比Cr弱，Mo优先溶入固溶体，起到强化作用。Mo的熔点高达2625℃，固溶后可提高钢的再结晶温度，有效地提高钢的高温强度和蠕变抗力。Mo可以减小钢材的热脆性，还可以提高钢材的抗腐蚀能力。
钢中的V能形成细小弥散的碳化物和氮化物，分布在晶内和晶界，阻碍碳化物聚集长大，提高蠕变强度。V与C的亲和力比Cr和Mo大，可阻碍Cr和Mo形成碳化物，促进Cr和Mo的固溶强化作用。钢中V的质量分数不宜过高，否则V的碳化物在高温下会聚集长大，造成钢的热强性下降，或使钢材脆化。钢中W的作用和Mo相似，能强化固溶体，提高再结晶温度，增加耐回火性，提高蠕变强度。钢中Nb和Ti都是碳化物形成元素，析出细小弥散的金属间化合物，提高钢材的高温强度、抗晶间腐蚀能力和抗氧化能力，并可显著提高蠕变强度，改善钢的焊接性。钢中加入B和稀土元素RE，可净化晶界，提高晶界强度，阻止晶粒长大，提高钢的蠕变强度。
低合金耐热钢的室温强度并不太高，通常是在退火状态或正火＋回火状态供货，在正火＋回火或淬火＋回火状态下使用。热处理的目的是使钢材获得所要求的组织、晶粒尺寸和力学性能。
在电站、核动力装置、石化加氢裂化装置、合成化工容器及其他高温加工设备中，低合金耐热钢的应用相当普遍。耐热钢对保证高温高压设备长期工作的可靠性有重要的意义。在不同的运行条件下，各种耐热钢允许的最高工作温度见表9-13。
表9-13不同的运行条件下各种耐热钢允许的最高工作温度
对于低合金耐热钢来说，钢材在工作温度下的屈服强度（或105h的持久强度）指标是热动力设备和高温高压容器及管道强度计算中的主要特性值。
合金元素总质量分数小于2.5％时，钢的组织为珠光体＋铁素体；合金元素总质量分数大于3％时，为贝氏体＋铁素体（即贝氏体耐热钢）。这类钢在500～600℃具有良好的耐热性，加工工艺性能好，又比较经济，是电力、石油和化工部门用于高温条件下的主要结构材料，如用于加氢、裂解氢的高压容器等。但这类钢在高温长期运行中会出现碳化物球化及碳化物聚集长大等现象。
3.铁素体耐热钢
铁素体耐热钢的发展可分为两条主线，一是逐渐提高主要耐热合金元素Cr的含量，质量分数从2.25％提高到12％；二是通过添加V、Nb、Mo、W、Co等合金元素，使钢的600℃×105h蠕变断裂强度由35MPa逐步提高到60MPa、100MPa、140MPa、180MPa。铁素体耐热钢的发展趋势如图9-17所示。
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图9-17 铁素体耐热钢的发展趋势
近年来开发的T91／P91钢、T92／P92钢均属铁素体耐热钢，也称为强韧型铁素体耐热钢。这两种钢的化学成分和力学性能见表9-14。
表9-14T91／P91钢、T92／P92钢的化学成分和力学性能
注：1.T91／P91钢的wP≤0.02％，wS≤0.01％。
2.T92／P92钢的wP≤0.02％，wS≤0.01％。
（1）T91／P91钢 为了改善原有的9Cr-1Mo耐热钢性能，美国橡树岭国家实验室与燃烧工程公司（CE）联合开发了用于快速中子增殖反应堆计划的钢材。该钢在593℃、105h条件下的持久强度达100MPa，韧性也较好。从技术和经济角度分析，这种钢与9Cr-2Mo相比，Mo含量减少一半，Nb、V也较低。1983年，美国ASME标准认可了这种钢，称为T91／P91，即SA213-T91／SA335-P91。20世纪80年代末，德国也从F12钢（X20CrMoV121）转向T91／P91。T91钢可用于管壁温度≤600℃的过热器、再热器管；P91钢可用于管壁温度≤600℃的集箱和蒸汽管道。20世纪90年代以来，T91／P91钢在世界范围内获得应用。
1）T91／P91钢的成分和强化特点。T91／P91钢采用了Nb、V、N进行微合金化。明显降低了C含量，同时大幅度提高了钢的纯净度，把杂质质量分数控制在0.0015％～0.001％水平。该钢采用了控轧空冷（TMCP）工艺，除具有更高的强度外，还具有优异的韧性。除了固溶强化、合金碳化物析出强化外，更大程度上由于细化晶粒、析出弥散细小的Nb、V的碳、氮化物和高密度位错获得室温和高温强度。
2）T91／P91钢的临界温度和连续冷却转变图。
①T91／P91钢的Ac1在800～830℃之间，Ac3在890～940℃之间。T91／P91钢的连续冷却转变图如图9-18所示。
图9-18 T91／P91钢的连续冷却转变图
②T91／P91钢在正火＋回火状态下供货，基体组织为回火马氏体，回火马氏体组织的硬度小于450HV。
③T91／P91钢的Ms点为380～400℃，Mf点为100～120℃。
④美国ASME标准给出的T91／P91钢的正火温度为1040℃；德国曼内斯曼钢管公司给出的正火温度为1040～1080℃，回火温度750～780℃。对于管壁厚度超过76mm的钢管，要适当加大正火时的冷却速度，必要时把空冷改为水冷，以保证获得马氏体组织。
（2）T92／P92钢20世纪90年代初，日本在大量推广T91／P91钢的基础上，发现当使用温度超过600℃时，T91／P91钢已不能满足长期安全运行的要求。在调峰任务重的机组，管材的疲劳失效也是个大问题。于是，日本继续在开发新的大机组锅炉用钢方面做了大量的试验研究工作，生产出得到ASME标准认可的T92／P92钢（NF616），即SA213-T92／SA335- P92。这些钢种已经在大型锅炉的高温部件上应用。
T92／P92钢是在T91／P91钢的基础上开发出来的，是在T91／P91钢的基础上再加质量分数为1.5％～2.0％的W，降低了Mo含量，增强了固溶强化效果。T92／P92钢的耐蚀性和抗氧化性与T91／P91钢相同，但具有更高的高温强度和抗蠕变性能，焊接性良好。在600℃的许用应力比T91钢高约30％，600℃×105h的持久强度可达130MPa，是可替代奥氏体耐热钢的候选材料之一。T92／P92钢可以用作超临界锅炉的过热器和再热器管材，或可用于壁温≤620℃的主蒸汽管道。
T92／P92钢的Ac1温度为800～845℃，Ac3为900～920℃；Ms温度为370～400℃，Mf温度为100℃，将随着奥氏体原始晶粒度的大小而变化。T92／P92钢的连续冷却转变图如图9-19所示。
图9-19 T92／P92钢的连续冷却转变图
由图9-19可见，在较宽的冷却速度范围内，从奥氏体冷却到室温，钢的基体组织从奥氏体转变为马氏体组织。T92／P92钢在正火＋回火状态下是有碳化物M23C6和V、Nb碳氮化物析出的回火马氏体组织。这些析出物通过沉淀强化改善了材料的蠕变断裂强度。另外，Mo和W的固溶强化也起到了强化的作用。
（3）T122／P122钢T122／P122钢是改进的12Cr钢，实际上属高Cr马氏体钢，添加W2％、Nb0.07％和Cu1％（质量分数），固溶强化和析出强化的效果都有很大增强，600℃和650℃的许用应力分别比F12钢（X20CrMoV121）提高113％和168％，具有更高的热强性和耐蚀性。尤其是由于C含量的减少，使焊接冷裂纹敏感性得到改善。
T122／P122钢主要性能如下：
1）蠕变强度。经过20000h以上蠕变破断试验，证实该钢种具有稳定的高温强度，在550～650℃温度范围高于同一温度下的T91钢；600℃时的许用应力约为T91／P91钢的1.3倍。
2）抗蒸汽氧化性能和抗高温腐蚀性能优于9Cr钢。
3）物理性能。作为高铬马氏体钢，其导热性比奥氏体钢好，热胀系数小，氧化物不易剥离，适于工作温度620℃以下的主蒸汽管道。
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