耐热钢是服务于蒸汽锅炉、蒸汽涡轮、喷气发动机及石化设备等高端装备的关键材料，其零部件常在严苛的高温环境下服役。因此，耐热钢必须具备两大核心基本性能：
根据其服役条件的侧重点，耐热钢通常分为热强钢和热稳定性钢两大类。在高温氧化环境中，金属的抗氧化能力取决于表面氧化膜的特性。铁的氧化物主要有FeO、Fe₂O₃和Fe₃O₄三种。其中FeO结构疏松，冷却时易分解产生应力，与基体结合力弱且易剥落；而Fe₂O₃和Fe₃O₄结构致密，结合性好。氧化规律表明，570℃是一个临界温度：570℃以下氧化膜由Fe₂O₃和Fe₃O₄组成；570℃以上则出现FeO，三者比例约为1:10:100，此时氧化过程大大加速并遵守抛物线规律。为了提高钢的抗氧化性，主要通过合金化手段干预氧化过程。加入Cr、Al、Si等元素可以显著提高FeO的形成温度（例如1.03%Cr可将FeO形成温度提至600℃，1.14%Si提至750℃）。当Cr、Al含量较高时，钢表面会优先生成致密的Cr₂O₃或Al₂O₃保护膜；此外，Ti等元素也能协助形成致密稳定的合金氧化物（如SiO₂），从而有效阻隔进一步氧化。热强性是指钢在高温下抵抗塑性变形和断裂的能力，其核心评价指标包括四项：
- 蠕变及蠕变极限：指在一定温度和恒定应力下随时间缓慢发生塑性变形的现象，蠕变极限是规定时间内达到规定蠕变量或蠕变速率时的最大应力（如σ₁/10000表示700℃下持续10000小时的极限）；
- 持久强度：指在规定温度和时间内引起断裂的最大应力值（如σ₁₀₀³⁰⁰表示700℃下100小时断裂的极限）；
- 高温疲劳强度：指在高温交变应力（10⁵~10⁸次）下不断裂的最大应力；
- 应力松弛：指零件在恒定总变形下应力随时间自行降低的现象（如蒸汽管道螺栓需定期拧紧），其机理是原子扩散使弹性变形转化为塑性变形。
- 强化基体：提高基体金属熔点（如Fe、Mo、Nb依次升高）以增强原子间结合力；利用奥氏体型钢（fcc-Fe）比铁素体/马氏体型钢（bcc-Fe）更高的蠕变抗力；加入Mo、Cr、Mn、Si等元素提高固溶体结合力。
- 强化晶界：通过RE（稀土）和B优先结合杂质净化晶界，减少低熔点夹杂物；利用高熔点化合物使异质晶核转入晶内；同时B易偏聚于晶界，填充空位，阻碍原子扩散。
- 弥散强化：引入稳定的弥散质点阻碍位错运动，关键在于质点的性质、大小、分布及稳定性。
- 热处理工艺：通过调整组织（如珠光体热强钢的处理）来优化蠕变强度。
综上所述，耐热钢的设计与应用核心在于平衡“高温强度”与“高温稳定性”。无论是通过Cr、Al、Si合金化构建致密氧化膜，还是利用Mo、B、稀土及热处理手段强化基体与晶界，其根本目的都是为了满足极端高温服役条件下的安全与寿命要求。
