在现有21-4N钢的生产基础上,采取添加稀土元素的微合金化技术研制开发了新型奥氏体气阀钢21-4NRE。热循环条件是气阀钢的一种常见服役条件。为了研究气阀钢热疲劳性能,本文自行设计研制了简易的热应交自约束型高温热疲劳实验装置,采用了卧式电炉,气缸水平送样,电磁阀控制水冷,数字电路中央控制系统等设计,可以在室温至900℃范围内进行实验。实验证明研制的装置结构简单,工作可靠,基本满足实验要求。 分别在室温(约25℃)至500℃、700℃和900℃的三组热循环条件下对21-4N与21-4NRE钢进行了热疲劳实验。结果表明：在热疲劳的过程中,两种样品均表现为循环软化特性,其硬度在循环初期均显著下降,随后趋于稳定。上限温度越高,在循环初期材料的硬度下降速率越快。研究结果还表明,随着上限温度的升高,21-4N钢和21-4NRE钢的裂纹萌生周期变短,其裂纹扩展速率显著增大。裂纹主要萌生于夹杂物、大块碳化物与基体界面处,而裂纹的扩展是以沿晶扩展为主、穿品扩展为辅的混合方式扩展。 分析表明,在循环上限温度为500℃时,大块夹杂物和碳化物颗粒的形态与分布是影响材料热疲劳性能的主要因素：在循环上限为700℃时,大块夹杂物和碳化物颗粒的形态与分布和高温氧化行为共同影响材料的热疲劳性能；在循环上限为900℃时,高温氧化是影响材料热疲劳性能的主要因素,应力辅助作用下的晶界脆氧机制成为裂纹尖端的主要失效机制。 稀土元素的加入具有细化品粒、改善析出碳化物颗粒的形态与分布、变质夹杂物等良好效果,能显著提高21-4N钢在循环上限温度为500℃和700℃时的热疲劳性能。而循环上限温度为900℃时稀土元素的加入对提高21-4N钢的热疲劳性能作用不大。