1、C 元素的作用

        碳（C）是鋼中最基本的元素，它能與α-Fe 微量地固溶在一起形成析出相[39]。這些析出相被稱為奧氏體形成元素，它們可以擴(kuò)大合金相圖中的奧氏體相區(qū)，從而提高材料的淬透性。此外，碳（C）還可以在α-Fe 中起到重要作用，它可以減少奧氏體的形成時(shí)間，增加奧氏體的穩(wěn)定性，從而改善材料的力學(xué)性能。隨著C 含量的增加，材料的強(qiáng)度和硬度得到改善，但其耐腐蝕性、韌性和焊接性能卻在下降。對(duì)于T/P91 類鐵素體耐熱鋼，C 元素易于 Cr 元素結(jié)合，含碳量過(guò)高，會(huì)引起基體中 Cr 元素貧乏，同時(shí)促進(jìn)析出相不斷發(fā)生球化以及加快聚集速度，使合金元素發(fā)生再分配，就必須抑制鋼中的碳含量。要想降低鋼材的焊接性，耐腐蝕，抗氧化性，就必須盡量控制其碳含量，并在一定程度上控制其碳含量，使碳在可控范圍內(nèi)產(chǎn)生盡可能多的析出相或碳氮化物。此外，還要控制合金元素的含量，以及熱處理溫度、壓力等。只有這樣才能有效地抑制碳含量，使耐熱鋼具有更高的性能。

        高 C 含量的鋼，在高溫長(zhǎng)期應(yīng)力的作用下，會(huì)加快固溶體中合金元素的貧化進(jìn)程，從而造成合金元素的濃度降低，從而使固溶體中的合金元素貧化程度更高。另外，在高溫長(zhǎng)期應(yīng)力的作用下，出現(xiàn)析出相相的明顯聚集現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致鋼的熱強(qiáng)度下降，同時(shí)也會(huì)提高鋼的脆性[40]。因此，在 T/P91 鋼中 C 的含量應(yīng)嚴(yán)格控制在0.08~0.12%。

        2、Cr 元素的作用

        鉻（Cr）是體心立方點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)，其熔點(diǎn)達(dá)到 1857℃。作為強(qiáng)鐵素體形成元素之一，鉻能夠顯著擴(kuò)大合金相圖中 Fe 的α相區(qū)，封閉γ相區(qū)，提高A1 點(diǎn)。Cr 在α-Fe中可以形成置換固溶體，并且可以無(wú)限固溶，使得它具有較強(qiáng)的析出相形成能力。

        在高 Cr 鋼中，Cr 元素的作用有四個(gè)方面：一方面提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性[41]。Cr 含量過(guò)高，鋼表面自動(dòng)形成一層無(wú)色透明并且非常致密的Fe3O4.Cr2O3 膜或致密的Cr2O3 膜，即鈍化膜，提高鋼的耐蝕性；一方面提高鋼的熱強(qiáng)性。主要依靠在基體中起到的固溶強(qiáng)化、提高再結(jié)晶溫度以及析出相的彌散作用，但Cr 的固溶強(qiáng)化十分有限；一方面 Cr 是鋼在回火和時(shí)效過(guò)程中形成強(qiáng)化相 M7C3和 M23C6的主要元素[40]。當(dāng)鋼的含鉻量在 5%以下時(shí)，在 600℃便發(fā)生嚴(yán)重的氧化反應(yīng)，而當(dāng)含鉻量為5%時(shí)，鋼的抗氧化性能較好。T/P9l 鋼含鉻量約為 9%，使用溫度可達(dá) 650℃，主要措施是在基體中溶解更多的鉻[42,43]。Cr 含量過(guò)高，合金析出相粗化行為加快，引起鋼在回火過(guò)程析出強(qiáng)化反應(yīng)溫度的降低。另一方面，Cr 還可以增加鋼的抗脆化性能，使其在抗熱沖擊和抗冷脆性能上都有更好的表現(xiàn)。此外，Cr 還能提高鋼的抗磨損性能，使其在磨損過(guò)程中更不容易發(fā)生變形和開裂。

        研究表明，在 9%Cr 系耐熱鋼中，由于 Cr 含量的降低使得其中δ鐵素體的含量隨之顯著減少，從而使得合金具有較高的抗高溫性能和抗疲勞性能。此外，δ鐵素體也可以有效抑制應(yīng)力開裂，從而提高合金的韌性。δ鐵素體含量預(yù)測(cè)值[44]如公式所示：FP%=-104-555C-476N+32.9Si-49.5Mn-807Ni+12.1Cr+39.1Mo+46.1V+83.5Nb-697B。

        3、Mo 元素的作用

        鉬（Mo）是體心立方點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)，鉬的熔點(diǎn)是 2625℃。作為鐵素體形成元素，鉬均能夠使合金相圖中α相區(qū)域變寬，使γ相區(qū)縮小變窄，使A1 點(diǎn)升高，可以在α-Fe中少量置換固溶，形成較弱或較強(qiáng)的析出相。Mo 與 Cr 具有類似的成核能力，可以在鋼表面生成一層致密的氧化薄膜 MoO3或 MoO2，顯著提高鋼材的強(qiáng)度和硬度，從而滿足結(jié)構(gòu)件對(duì)金屬材料的要求。Mo 能夠被利用來(lái)提高固溶體中基體的再結(jié)晶溫度，通過(guò)固溶體強(qiáng)化來(lái)阻止鐵的自擴(kuò)散，同時(shí)提高了鋼在高溫下的組織穩(wěn)定性，阻止了板條馬氏體在高溫下快速回復(fù)和分解。鋼的熱強(qiáng)性主要是通過(guò)合金元素的固溶強(qiáng)化和析出相的彌散強(qiáng)化作用來(lái)共同實(shí)現(xiàn)的。由于 Mo 元素的熔點(diǎn)高，具有更強(qiáng)的溶解度，而Cr、Mn元素的熔點(diǎn)低，溶解度也較低。所以，Mo 元素能在固溶體中優(yōu)先溶解，其固溶強(qiáng)化效果大于上述兩種元素的總和，這種效果在 T/P91 馬氏體鋼中更為顯著。

        Mo 元素在長(zhǎng)期高溫服役的環(huán)境下，組織中會(huì)形成金屬間化合物L(fēng)aves 相[48]。該相的析出不僅會(huì)增強(qiáng)蠕變強(qiáng)度，還會(huì)為亞晶界的運(yùn)動(dòng)提供釘扎效應(yīng)，引起合金基體中Mo元素發(fā)生貧化，造成基體固溶強(qiáng)化效果降低。Mo 還有助于降低馬氏體起始(Ms)溫度并提高較低的臨界溫度(Ac1)。

        4、V 元素的作用

        釩（V）是體心立方點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)可達(dá) 1890℃，其具有特殊的性質(zhì)，能夠使合金相圖 Fe 的α相變區(qū)變寬，奧氏體相變區(qū)變窄，A1 點(diǎn)顯著升高。釩的這一性質(zhì)使其可以在鐵素體中被無(wú)限地取代，從而成為強(qiáng)碳、強(qiáng)氮化合物的主要成因。V元素在鋼中彌散分布，防止其發(fā)生滑移變形，能有效地控制鋼中析出相的團(tuán)聚與長(zhǎng)大，進(jìn)而改善鋼的強(qiáng)度。V 具有強(qiáng)烈的固碳作用，能夠有效地阻止 C 與 Cr、Mo 等其它合金元素的析出，導(dǎo)致基體貧化，因此能夠增強(qiáng)耐熱鋼的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善耐熱鋼的服役性能[49,50]。同時(shí)，V 還能增強(qiáng)析出相間的交互作用，促使其更加致密的團(tuán)聚，提高其耐熱性和拉伸強(qiáng)度。這是由于 V 能調(diào)控析出相的物性，通過(guò)改變其形狀、尺寸和堆積模式，進(jìn)而影響其相互間的作用力，使其更易于團(tuán)聚。V 的固溶強(qiáng)化作用效果弱于Cr、Mo 的強(qiáng)化效果。耐熱鋼中若釩含量過(guò)高，則會(huì)引起組織中析出相嚴(yán)重粗化，因此耐熱鋼中V含量一般控制在 0.15%~0.40%左右。

        5、Nb 元素的作用

        鈮（Nb）的熔點(diǎn)高達(dá) 2468℃，是一種體心立方點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)。它可以拓寬相圖Fe的α相區(qū)變寬，使奧氏體相區(qū)變窄，A1 點(diǎn)顯著增加，同時(shí)還可以在α-Fe 鐵素體中形成一定的固溶。由于鈮（Nb）可以與鐵素體發(fā)生置換反應(yīng)，形成強(qiáng)析出相、強(qiáng)氮化物。因此在耐熱鋼中，V、Nb 和 Ti 三種元素容易形成尺寸細(xì)小但可保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的析出相顆粒和氮化物顆粒，形成的這些碳氮化物顆粒彌散在高溫長(zhǎng)期服役狀態(tài)下聚集長(zhǎng)大的速度極其緩慢，碳氮化物的沉淀作用與彌散強(qiáng)化作用可有效提高耐熱鋼的熱強(qiáng)性和高溫蠕變性能。強(qiáng)固碳效應(yīng)可以有效的防止 Cr、Mo 等其它重要合金元素的析出，從而避免基體貧化，同時(shí)又可以有效提高耐熱鋼的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善其機(jī)械性能和抗熱性能等。在這種情況下，固碳作用可以有效提高耐熱鋼的抗熱變形能力，同時(shí)還能有效抑制熱脆性的產(chǎn)生，從而改善材料的綜合性能。此外，它還可以降低鋼中殘余奧氏體含量，從而降低淬火變形溫度，提高耐熱鋼的淬火穩(wěn)定性。

        6、N 元素的作用

        氮（N）為六方點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)，在耐熱鋼中含量極低，可以在α-Fe 鐵素體微量間隙固溶。N 與其他元素如 Ti、Nb、N 等形成氮化物（氮易被碳置換，形成更為穩(wěn)定的碳氮化物)，達(dá)到充分利用氮化物與碳氮化物的沉淀強(qiáng)化的目的。N 也可以對(duì)耐熱鋼中的主要元素如 Cr、Mo、V、Nb 等進(jìn)行均衡，以促進(jìn)α相的生成?？刂颇蜔徜撝笑料嗟暮?，可以使馬氏體強(qiáng)化得到充分利用。此外，N 在鋼中與 V 易形成VN 析出相，起到強(qiáng)化作用。有研究表明，鋼中 N 含量增加至 0.05%以上時(shí)，耐熱鋼的高溫蠕變性能顯著下降，當(dāng)增至 0.07%時(shí)，鋼中析出的 Cr2N 相使得 MX 相強(qiáng)化作用減弱。綜合考慮可知耐熱鋼中N含量應(yīng)控制在 0.05%以內(nèi)。

        7、其他合金元素的作用

        鈦（Ti）是體心立方或密排六方晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)是 1660℃。鈦可以明顯的使鐵碳相圖 Fe 的α相區(qū)變寬，奧氏體相區(qū)變窄，可以顯著提高 A1 點(diǎn)，在α-Fe 鐵素體中發(fā)生有限置換固溶反應(yīng)，形成強(qiáng)析出相，是一種非常重要的析出相形成元素。鈦在馬氏體耐熱鋼中起沉淀強(qiáng)化作用，通過(guò)自身強(qiáng)力的固碳能力提高鋼的熱強(qiáng)性。錳（Mn）是體心立方晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)是 1244℃。錳能夠使鐵碳相圖 Fe 的α相區(qū)變窄，奧氏體相區(qū)變寬，降低A1 點(diǎn)。錳在馬氏體耐熱鋼中起到脫氧，穩(wěn)定奧氏體，提高擴(kuò)散系數(shù)和淬透性，降低蠕變強(qiáng)度的作用。硼（B）熔點(diǎn)為 2076℃，微量存在于馬氏體耐熱鋼中。硼可以在γ-Fe中固溶，并在晶界附近富集，減小界面的自由能，從而抑制α-Fe 的析出，改善鋼的硬化性能。此外，硼還能使 M23C6相變得更穩(wěn)定，從而減緩了 M23C6相的粗化，使其沖擊韌度下降。