铁素体型耐热钢发展主要分为四个发展阶段
生铁,熟铁,钢
生铁一般指含碳量在2~4.3%的铁的合金。
又称铸铁。
生铁里除含碳外，还含有硅、锰及少量的硫、磷等，它可铸不可锻。
根据生铁里碳存在形态的不同，又可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁等几种。
炼钢生铁里的碳主要以碳化铁的形态存在，其断面呈白色，通常又叫白口铁。
这种生铁性能坚硬而脆，一般都用做炼钢的原料。
铸造生铁中的碳以片状的石墨形态存在，它的断口为灰色，通常又叫灰口铁。
由于石墨质软，具有润滑作用，因而铸造生铁具有良好的切削、耐磨和铸造性能。
但它的抗位强度不够，故不能锻轧，只能用于制造各种铸件，如铸造各种机床床座、铁管等。
球墨铸铁里的碳以球形石墨的形态存在，其机械性能远胜于灰口铁而接近于钢，它具有优良的铸造、切削加工和耐磨性能，有一定的弹性，广泛用于制造曲轴、齿轮、活塞等高级铸件以及多种机械零件。
此外还有含硅、锰、镍或其它元素量特别高的生铁，叫合金生铁，如硅铁、锰铁等，常用做炼钢的原料。
在炼钢时加入某些合金生铁，可以改善钢的性能。
一般含碳量小于0.2%的叫熟铁或纯铁，含量在0.2-1.7%的叫钢，含量在1.7%以上的叫生铁。
熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低，用途不广；生铁含碳很多，硬而脆，几乎没有塑性。
呵呵，另外说说判别：在生活中区分生铁和熟铁当然不能用含碳量来区分，因为你看不出来的。
因此我们只能用眼看和用耳听来区分：1、用眼看：生铁的断口是粗糙的，呈现出一粒粒的（因为生铁晶粒粗的缘故），而熟铁断口一般比较光洁；如果是新断口，还可看出生铁光泽较暗而熟铁较亮；生铁的断口一般是不规则的，因为生铁很脆，大多是被打断的，（当然也有是经加工的，那也是很平整的）而熟铁是不能被打断的，大多是被用一定方式加工而分开的，所以断口一般是整齐的；断口如果是被气割的，那就是熟铁的，生铁是不能被气割的；生铁表面一定会有气孔，面熟铁则不会有气孔；如果一块铁是有明显变形的（如弯曲）那是熟铁，因生铁塑性很差，不大会有如此变形，真要达到弯曲了，要么断了要么有很明显的裂纹且弯形也不会很大。
20149焊接冶金学——材料焊接性第3章
合金结构钢中，氮作为一种合金元素被广泛采用。氮 在钢中的作用与碳相似，当它溶解在铁中时，将扩大γ区。 氮能与钢中的其他合金元素形成稳定的氮化物，这些氮化 物往往以弥散的微粒分布，从而细化晶粒，提高钢的屈服 点和抗脆断能力。氮的影响既决定于其含量，也决定于在 钢中存在的其他合金元素的种类和数量。Al、Ti和V等合金 元素对氮具有较高的亲和力，并能形成较稳定的氮化物。 因此，为了充分发挥氮作为合金元素的作用，钢中必须同 时加入Al、V和Ti等氮化物形成元素。
按供货状态分，强度用钢大致分为热轧与正火钢、低 碳调质钢和中碳调质钢等三类。各类的组织性能有其共同 特点，且与焊接性密切相关。介绍如下：
(1) 热轧及正火钢 屈服强度为294~490MPa，在热轧 或正火状态下使用，属于非热处理强化钢。包括微合金化 控轧钢、抗层状撕裂的Z向钢等。这类钢广泛应用于常温 下工作的一些受力结构，如压力容器、动力设备、工程机 械、桥梁、建筑结构和管线等。
此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、 Nb、B、Cu等，主要是为了提高钢的淬透性和马氏体的回 火稳定性。这些元素可以推迟珠光体和贝氏体的转变，使
产生马氏体转变的临界冷却速率降低。低合金调质高强钢
由于含碳量低，所以淬火后得到低碳马氏体，而且发生 “自回火”现象，脆性小，具有良好的焊接性。
不同，前者是针状马氏体（孪晶马氏体），属脆硬相；后
者是低碳板条马氏体（位错马氏体），硬度虽高，但仍有 较好的韧性。
3.2 热轧及正火钢的焊接
吸收能可以反映出某一温度范围韧性急剧变化的转变 现象。当吸收能变小时，由塑性断口转变为脆性断口。脆 性断口率为零时的吸收能称为“上平台能”，上平台能一 半时的温度称为韧脆转变温度（用VTrs表示）。钢材的韧 脆转变温度越低，韧性越好。根据大量的脆性破坏事故案 例调查的结果，许多国家建议采用冲击吸收功21J或48J时 的温度作为V形缺口却贝韧性试验的特性值。
耐热钢焊接焊条选用及说明
耐热钢焊接焊条选用及说明在高温下工作的钢叫做耐热钢，耐热钢应具备高温化学稳定性和高温强度，耐热钢按显微组织可分为珠光体耐热钢、铁素体耐热钢、马氏体耐热钢和奥氏体耐热钢四类；珠光体耐热钢通常热强钢，另有专篇，不再叙述，这里只讲铁素体耐热钢、马氏体耐热钢和奥氏体耐热钢。
一般来说，钢中含Cr达到5%，在600℃下具备了抗氧化能力，当Cr达到12%时，抗氧化能力可达800℃，当Cr达到20%时，抗氧化能力可达950℃，当Cr达到25%时，在1050℃高温下耐热钢表面不起氧化皮，高温化学稳定性非常强；铬金属是耐热钢中最主要的合金元素，所以耐热钢含铬量大都在12%以上。
相对而言，铁素体耐热钢和马氏体耐热钢高温强度低且塑韧性不好，耐热性能不如奥氏体耐热钢，奥氏体耐热钢与奥氏体不锈钢相比，含碳量高一些，有些钢种既是不锈钢又是耐热钢。
本文依据GB/T 4238-2015《耐热钢钢板与钢带》和GB/T 983-2012《不锈钢焊条》标准，选出14种代表性耐热钢材料及其适用的12种焊条，基本涵盖适用温度范围，其余耐热钢焊接时焊条选择也可以参照使用。
一、焊条选用原则1、耐热性对等焊缝与母材都在同一个温度下服役，若焊缝耐热性差就会影响整体功能，若焊缝耐热性过剩则会造成浪费，只有两者对等才是最适宜的。
2、化学成分相近为确保焊缝金属与母材具备相同的耐热性，焊条熔敷金属化学成份与母材应尽量相近；同时两者化学成份相近使得它们膨胀系数相近，避免了因膨胀系数不同在焊接接头处产生内应力。
3、保证抗裂性对抗裂性差的耐热钢可以用化学成分差异化来选择焊条，防止冷裂纹，确保施工可焊性。
如马氏体耐热钢、沉淀硬化耐热钢。
二、焊条选用一览表见表1。
表1：焊条选用表耐热钢牌号 最高使用温度℃应用举例 焊条型号焊条牌号(对应或适用)07Cr18Ni11Ti 900 通用构件 E347-17 A13212Cr18Ni9Si3 900 汽车排气净化装置E349-17 A08216Cr23Ni13 900 退火炉罩 E309-17 A302 20Cr25Ni20 1035 坩埚、燃烧室 E310-17 A402 06Cr19Ni13Mo3 900 热交换器部件 E317-17 A242 12Cr16Ni35 1035 石油裂解装置 E330MoMnWNb-17 A602 16Cr20Ni14Si2 1050 冶金电炉部件 E309Nb-17 A312 022Cr11NbTi 800 汽车排气管 E410-17 G202 10Cr17 900 喷油嘴 E430Nb-17 G302 16Cr25N 1082 燃烧室 E309-17 A302 12Cr13 800 高温螺栓 E410-17 G202 22Cr12NiMoWV 800 汽轮机叶片 E409Nb-17 G217 06Cr17Ni7AlTi 500 容器 E16-8-2-17 A512 06Cr15Ni25Ti2MoAlVB700 汽轮机轴 E16-25MoN-17 A502三、焊条化学成份及力学性能：见表2及表3。
现代不锈钢和耐热钢中的铌
现代不锈钢和耐热钢中的铌1、现代不锈钢生产概况（1）世界不锈钢的产量和消费不锈钢大量生产与应用始于二战后50年代末,而现代不锈钢则应该说是由于60年代末期几乎是同时出现的VOD(Vacuum Oxygen Decarbu rization)和AOD(Argon Oxygen Decarbu rization)法的发明,使钢中的间隙元素大幅度降低,不锈钢发生了质的飞跃。
从而进入了现代不锈钢的发展进程。
随后发展起来的连铸﹑森机米尔轧机问世以及炼钢工艺中部分的用铬﹑镍精矿入炉，使生产成本显著下降，性能·价格比不断上升。
因此，不锈钢产品的应用领域不断扩大。
产量逐渐增加。
到1995年，世界不锈钢年产量达1570万吨，比上一年增加12.7%，比70年代末增加4倍。
日本是不锈钢生产第一大国，其次是美国﹑德国﹑南韩，详见表1。
1993年世界人均不锈钢消费量已经超过2Kg，发达国家在7Kg以上。
（2）不锈钢的生产工艺现代不锈钢主要由AOD和VOD工艺生产。
设备不断更新，工艺不断改进，川崎制铁公司发展的K-OBM-S(以铁水为原料，两座转炉优化炼钢)工艺向AOD提出严重挑战。
目前，不锈钢的主要精炼法的效能﹑成本﹑高纯化能力以及高纯化水平列于表2。
从表中数据看SS-VOD纯度高，AOD-VDR和RH-KTB综合效果最好。
1995年日本不同工艺生产不锈钢构成比为AOD工艺占63%，VOD占28%，其它9%。
当今不锈钢以板材为主，其次是管﹑型﹑棒﹑线，其构成比为冷轧薄板占55-60%，热轧板10-11%，型﹑棒15%，线材8-10%，其它8%。
（3）不锈钢钢类﹑钢种产量比例在统计不同钢种产量比例时，日本以Cr系和Cr-Ni系分两类，其产量比Cr系占25%，Cr-Ni占75%；美国以含镍和无镍分两类，1993年不锈钢总产量为1749500吨，其中含镍不锈钢1178813吨占67%，无镍不锈钢为570687吨占33%。
奥氏体不锈耐热钢
1．2 ASME 347HFG 和 TP347H 钢管的不同制作工艺 表 1.2 列出了 TP347H 钢的标准成分和实际成分。钢 ASME 347HFG 的成分和钢 TP347H
的相同。通常这种钢在电炉冶炼以后到成材经过的工艺为：热轧→软化处理→冷拔→固溶处 理。钢坯经过一定变形量的热轧加工以后，形变的奥氏体被形变硬化，为了进一步加工必须 作软化处理。软化处理是把形变硬化了的材料加热到其再结晶温度以上，使形变了的奥氏体 充分再结晶，同时也使大部分在热轧过程中析出的 M23C6 溶解，使钢材恢复到柔软易加工的 状态。通常软化处理的温度在 900-1000℃之间。软化处理后的钢材经过冷拔最后成材，但 此时钢材一方面又被冷作硬化，一方面在冷拔过程中还会有一定数量的第二相质点析出，这 些都是不利于提高抗高温蒸汽腐蚀性能和提高高温蠕变断裂强度的，因此最后还必须进行固 溶处理。固溶处理的目的在于使所有析出了的第二相质点尽可能重新固溶到基体中去，让它 们在以后的运行过程中缓慢的弥散的析出。欲令已经析出的 M23C6 全部重新固溶是较容易做 到的，因为 M23C6 型碳化物被加热到 850-900℃并保温一定时间就可以充分溶解，可是 NbC 类 的 MC 型碳化物就很不容易溶解。图 1.1 为 NbC 在 16.8Cr-13.25Ni-0.07C-0.9Nb 钢γ相中的 溶解度[2]。
第4章 不锈钢及耐热钢的焊接
图4-2 Fe-Ni二元合金状态图
3．合金元素对相图的影响 (1) 碳的影响 不锈钢中，碳首先和铬形成化合物，其次是铁。碳是强奥氏体化元素，会使γ相区增大，而δ相区减小。在723℃的纯铁中，碳在γ相中的溶解度是α相中的40倍，可以认为不锈钢中的奥氏体晶粒对碳具有良好的溶解性。但是，由于铬元素具有强烈的形成M23C6碳化物倾向，即使是在碳含量很低的情况下也可以生成，使得碳在奥氏体中活性降低，不锈钢中碳的溶解度大大降低。 碳还影响σ相的形成。增加碳含量将使碳化物含量增加，部分铬转变为M23C6高铬碳化物。因而基体中铬的含量减少，σ相析出减缓。从相图上看，σ相区缩小。 (2) 氮的影响 氮是强奥氏体化元素。氮比碳在奥氏体铬－镍不锈钢中的溶解度高得多，并随着铬含量的增加而快速增加，因此氮在奥氏体不锈钢中不易形成脆性析出相。
4.1.1 不锈钢的基本定义 不锈钢的定义 不锈钢是指能耐空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质腐蚀的，具有高度化学稳定性的合金钢的总称，对其含义有以下三种理解： (1) 原义型 仅指在无污染的大气环境中能够不生锈的钢。 (2) 习惯型 指原义型含义不锈钢与能耐酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称。 (3) 广义型 泛指耐蚀钢和耐热钢，统称为不锈钢 我国目前所谓不锈钢是指习惯型含义。不锈钢及耐热钢的 主要成分为Cr和Ni。
3．按组织分类 按空冷后室温来分类，是应用最广泛的分类方法。 奥氏体钢 是在高铬不锈钢中添加适当的镍（镍的质量分数为8%～25%）而形成的具有奥氏体组织的不锈钢。它是应用最广的一类，以高Cr-Ni钢最为典型。 (2) 铁素体钢 显微组织为铁素体，铬的质量分数在11.5%～32.0%范围。主要用作耐热钢（抗氧化钢），也用作耐蚀钢，如1Cr17、1Cr25Si2。铁素体钢以退火状态供货。 (3) 马氏体钢 显微组织为马氏体，这类钢中铬的质量分数为11.5%～18.0%。
钢材知识基础
低碳钢
强度（MPa） 表观密度 F G T （g/cm3）
7850 420
比强度
0.054
普通混凝土（抗压）
松木（顺纹、抗拉） 玻璃钢 烧结普通砖（抗压）
2400
500 2000 1700
40
100 450 10
0.017
0.200 0.225 0.006
观察与讨论 (1)两种钢材的选用
炼钢的过程
(1)融化过程。铁水及废钢中含有C、Mn、Si、P、S等杂质，在低温融 化过程中，C、Si、P、S被氧化，即使单质态的杂质变为化合态的杂质， 以利于后期进一步去除杂质。氧来源于炉料中的铁锈(成分为Fe2O3· 2H2O)、 氧化铁皮、加入的铁矿石以及空气中的氧和吹氧。各种杂质的氧化过程是 在炉渣与钢液的界面之间进行的。 (2)氧化过程。氧化过程是在高温下进行的脱炭、去磷、去气、去杂质反 应。 (3)脱氧、脱硫与出钢。氧化末期，钢中含有大量过剩的氧，通过向钢液 中加入块状或粉状铁合金或多元素合金来去除钢液中过剩的氧，产生的有 害气体CO随炉气排出，产生的炉渣可进一步脱硫，即在最后的出钢过程中， 渣、钢强烈混合冲洗，增加脱硫反应。 (4)炉外精炼。从炼钢炉中冶炼出来的钢水含有少量的气体及杂质，一般 是将钢水注入精炼包中，进行吹氩、脱气、钢包精炼等工序，得到较纯净 的钢质。 (5)浇铸。从炼钢炉或精炼炉中出来的纯净的钢水，当其温度合适、化学 成分调整合适以后，即可出钢。钢水经过钢水包脱入钢锭模或连续铸钢机 内，即得到钢锭或连铸坯。
•
钢材的冲击韧性用标准试件在做冲击试验时， 每平方厘米所吸收的冲击断裂功（J/cm2）表示， 其符号为αk。试验时将试件放置在固定支座上， 然后以摆锤冲击试件刻槽的背面，使试件承受冲 击弯曲而断裂。显然，αk值越大，钢材的冲击韧 性越好。 • 影响钢材冲击韧性的因素很多，当钢材内硫、 磷的含量高，存在化学偏析，含有非金属夹杂物 及焊接形成的微裂缝时，钢材的冲击韧性都会显 著降低。 • 环境温度对钢材的冲击功影响很大。试验证 明，冲击韧性随温度的降低而下降，开始时下降 缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而 呈脆性，这种性质称为钢材
焊接热处理
1.1 成分组织
• 钢的典型化学成分见表1。P91、P92是一种改良的 9CrMoVNbN 钢，具有优异的综合性能，自20 世纪80 年代在美国问世以来，在亚临界和超临界机组中得到 了广泛应用，其最高使用温度为593℃，一般用于温度 小580℃的厚壁蒸汽管道和联箱。
• P92E911(P911)P122(HCM12A)是在9％-12％CrMoVNbN 钢 的基础上开发的三种新型马氏体耐热钢，通过添加W 取代部分Mo 来提高高温强度，其Mo 当量（Mo+0.5W） 在1.5％左右。前两种为9%Cr 钢，其中E911 钢含W 1.0％，P92 钢含W 1.8％； P122钢 Cr 含量为12%， 含W 2.0％，由于Cr 含量比较高，为了避免出现δ－M， 加入了1% 左右的Cu 来降低Cr 当量。
4.1 焊接接头的验收标准
• 在焊接材料和焊接工艺确定后，力学性能和 焊缝硬度只取决于焊后热处理温度和时间。 硬度表征的是材料抵抗变形或抵抗破裂的能 力，其本身并没有明确的物理意义，也不是 材料的一个独立的基本性能。但焊缝硬度一 定程度上能反映焊后热处理是否充分，也能 间接反映接头的力学性能。由于现场无法也 不允许对厚壁管道的焊缝取样进行性能测试， 所以硬度检验就显得尤为重要。图7 显示了 焊后热处理温度对熔敷金属硬度的影响。
更容易丧失板条马氏体的形貌。焊后热处理温度不能 高于熔敷金属的AC1 温度。
。因此，P92 钢焊后热处理温度的上限以770℃为宜，不能 超过780℃。回火温度的下限需要试验确定，通过对上述三 种焊接材料熔敷金属回火效果的试验，表明当回火温度低 于750℃时，很难保证P92 焊缝的冲击韧性，（超（超临界 锅炉用钢及焊接技术协作网第二次论坛大会论文集19）击 功达到41J，延伸率和弯曲试验也难以合格。可见，新型马 氏体耐热钢的性能对组织异常敏感，其焊后热处理温度的 范围很窄。当采用上述焊接材料时，综合考虑P92 钢焊后 热处理温度的上、下限，厚壁管道的内外壁温差，SMAW、 SAW、TIG 工艺及其组合，现场热处理实际情况等因素， 确定P92 钢的焊后热处理温度为760± 10℃
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铁素体型耐热钢发展主要分为四个发展阶段
在1960～1970年代EM12、HCM9M、HT9、HT91等9～12％Cr钢对于亚临界机组的发展有很大贡献。
直到1970～1985年期间，T/P91、HCM12和HCM2S提高了钢的持久强度、可焊接性等，机组蒸汽温度提高到593℃以上，保证了超临界机组的运行和超超临界机组的试验建造。
1985年以后开发了T92（NF616）、E911和HCM12A（T/P122）。
由于进一步增加W、Mo、Cu等强化元素，钢的持久强度提高，机组的蒸汽温度提高至600℃以上，这样保证了超超临界机组的成功运行。
由于铁素体钢导热性好，热膨胀系数小，钢的热疲劳抗力比奥氏体钢好。
同时，铁素体耐热钢焊接性好，与其它铁素体钢的焊接属于同种材料焊接，焊接接头性能稳定，成本比18-8奥氏体钢低。
由于这些优点，世界各国都大力研究发展铁素体耐热钢。
近年来，通过加入3W-3Co及B、Ta、Nd等元素进一步强化发展了NF12，SA VE12等新型耐热钢，可望满足650℃蒸汽温度参数使用。
奥氏体耐热钢主要用于过热器和再热器的高温段管道，其的特点是持久强度高、抗氧化和抗腐蚀性能优越，使用温度比铁素体钢高。
可以大致分成四类，即15Cr-15Ni型、18-8型、25Cr-20Ni型和高Cr合金型。
15Cr-15Ni型有17-14CuNb、Esshete1250、TempaloyA-2等；18-8型有TP304H、TP321H、TP316H、TP347H、TP347HFG、Super304H、TempaloyA-1等；25Cr-20Ni型有TP310、TP310NbN（HR3C）、NF707、NF709、Alloy800H、TempaloyA-3、SA VE25等；高铬合金型有CR30A、
HR6W、Inconel617、Inconel671，Inconel740等。
耐热钢的基体组织和析出相的稳定性是其高温性能的基础，铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢的组织特征。
耐热钢管材课题将在以下三个方面取得进展：建立从材料成分设计-冶炼-铸造-热加工-热处理-焊接-性能综合评价-应用-在役性能评估和寿命预测全过程技术体系；实现超超临界火电机组高品质锅炉钢管材的国产化生产和应用；形成以多元素复合强化、超细弥散析出相稳定化、高温高压蒸汽和多种燃烧介质腐蚀环境下材料的组织和界面行为为主要内容的高温高压腐蚀环境下长期服役的耐热钢铁材料设计理论和技术。
通过研发达到以下目标：为解决超超临界火电机组建设需要，形成T/P91、T92、S30432、S31042钢管的稳定生产技术，在宝钢、攀钢、兴澄特钢实现批量生产。
钢管性能满足锅炉厂钢管供货技术条件，按ASME规定外推值，T92钢管和焊接接头的105小时持久强度≥96MPa（600℃，据104小时数据外推）；S30432钢管和焊接接头的105小时持久强度≥116MPa（650℃，据104小时数据外推）；S31042钢管和焊接接头的105小时持久强度≥58.6MPa（700℃，据104小时数据外推）。
产能达到5000吨/年，并获得实际工程应用。
开发T/P91 、T92钢的冶炼和连铸生产技术，铸坯合格率大于97％，铸坯成份偏析率小于1.1，形成铁素体耐热钢连铸生产技术。
提供与上述USC钢管配套的焊接材料与技术。
确定蒸汽腐蚀机理和规律，氧化层剥落机理和规律，建立在役寿命预测检测方法，逐步建立锅炉钢高温长时试验
数据库。