Värmebeständigt-stål avser stål som har hög-temperaturoxidationsbeständighet och hög-temperaturhållfasthet. Oxidationsbeständighet vid hög-temperatur är en avgörande förutsättning för att säkerställa att arbetsstycken kan arbeta tillförlitligt vid höga temperaturer. I oxiderande miljöer som luft med hög-temperatur reagerar syre med stålytan och bildar olika järnoxidskikt. Detta oxidskikt är mycket poröst, förlorar stålets ursprungliga egenskaper och lossnar lätt. För att förbättra stålets oxidationsbeständighet vid hög-temperatur, tillsätts legeringselement för att ändra strukturen på oxiderna. Vanligt använda legeringselement inkluderar krom, kisel och aluminium.
Dessa element reagerar med syre för att bilda ett tätt, stabilt oxidskikt, eller passiveringsskikt, såsom Cr2O3, SiO2 eller Al2O3, på stålytan, vilket skyddar stålet från ytterligare oxidation. Högre mängder krom, kisel och aluminium förbättrar stålets oxidationsbeständighet vid hög-temperatur, men för stora mängder kisel och aluminium kan försämra stålets mekaniska egenskaper och bearbetbarhet. Därför använder värme-stål krom som det huvudsakliga legeringselementet, med kisel och aluminium som hjälpelement. Kort sagt är stålets oxidationsbeständighet vid{10}}höga temperaturer endast relaterad till dess kemiska sammansättning.
Hög-temperaturhållfasthet avser stålets förmåga att motstå mekaniska belastningar under långa perioder vid höga temperaturer. Under mekanisk belastning vid höga temperaturer genomgår stål två processer: mjukning, där hållfastheten minskar med ökande temperatur; och krypning, där den plastiska deformationen långsamt ökar med tiden under konstant stress. Plastisk deformation i stål vid höga temperaturer orsakas av intragranulär glidning och korngränsglidning. Förbättring av hög-temperaturhållfastheten hos stål uppnås vanligtvis genom legering. Detta innebär att tillsätta legeringselement till stålet för att öka den interatomära bindningskraften och bilda en gynnsam mikrostruktur.
Tillsats av krom, molybden, volfram, vanadin och titan kan stärka stålmatrisen, öka omkristallisationstemperaturen och bilda förstärkningsfaser såsom karbider eller intermetalliska föreningar. Dessa förstärkningsfaser är stabila vid höga temperaturer, löses inte upp eller växer och bibehåller sin hårdhet. Tillsatsen av nickel är i första hand för att erhålla austenit. Austenit har ett mer kompakt atomarrangemang än ferrit, med starkare interatomära bindningskrafter och svårare atomär diffusion. Därför har austenit bättre hållfasthet vid hög-temperatur. Således är den höga-temperaturhållfastheten hos värme-stål inte bara relaterad till dess kemiska sammansättning utan också till dess mikrostruktur.
