T/P91钢中合金元素的作用
1、C 元素的作用
碳（C）是钢中最基本的元素，它能与α-Fe 微量地固溶在一起形成析出相[39]。这些析出相被称为奥氏体形成元素，它们可以扩大合金相图中的奥氏体相区，从而提高材料的淬透性。此外，碳（C）还可以在α-Fe 中起到重要作用，它可以减少奥氏体的形成时间，增加奥氏体的稳定性，从而改善材料的力学性能。随着C 含量的增加，材料的强度和硬度得到改善，但其耐腐蚀性、韧性和焊接性能却在下降。对于T/P91 类铁素体耐热钢，C 元素易于 Cr 元素结合，含碳量过高，会引起基体中 Cr 元素贫乏，同时促进析出相不断发生球化以及加快聚集速度，使合金元素发生再分配，就必须抑制钢中的碳含量。要想降低钢材的焊接性，耐腐蚀，抗氧化性，就必须尽量控制其碳含量，并在一定程度上控制其碳含量，使碳在可控范围内产生尽可能多的析出相或碳氮化物。此外，还要控制合金元素的含量，以及热处理温度、压力等。只有这样才能有效地抑制碳含量，使耐热钢具有更高的性能。
高 C 含量的钢，在高温长期应力的作用下，会加快固溶体中合金元素的贫化进程，从而造成合金元素的浓度降低，从而使固溶体中的合金元素贫化程度更高。另外，在高温长期应力的作用下，出现析出相相的明显聚集现象，这种现象会导致钢的热强度下降，同时也会提高钢的脆性[40]。因此，在 T/P91 钢中 C 的含量应严格控制在0.08~0.12%。
2、Cr 元素的作用
铬（Cr）是体心立方点阵晶体结构，其熔点达到 1857℃。作为强铁素体形成元素之一，铬能够显著扩大合金相图中 Fe 的α相区，封闭γ相区，提高A1 点。Cr 在α-Fe中可以形成置换固溶体，并且可以无限固溶，使得它具有较强的析出相形成能力。
在高 Cr 钢中，Cr 元素的作用有四个方面：一方面提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性[41]。Cr 含量过高，钢表面自动形成一层无色透明并且非常致密的Fe3O4.Cr2O3 膜或致密的Cr2O3 膜，即钝化膜，提高钢的耐蚀性；一方面提高钢的热强性。主要依靠在基体中起到的固溶强化、提高再结晶温度以及析出相的弥散作用，但Cr 的固溶强化十分有限；一方面 Cr 是钢在回火和时效过程中形成强化相 M7C3和 M23C6的主要元素[40]。当钢的含铬量在 5%以下时，在 600℃便发生严重的氧化反应，而当含铬量为5%时，钢的抗氧化性能较好。T/P9l 钢含铬量约为 9%，使用温度可达 650℃，主要措施是在基体中溶解更多的铬[42,43]。Cr 含量过高，合金析出相粗化行为加快，引起钢在回火过程析出强化反应温度的降低。另一方面，Cr 还可以增加钢的抗脆化性能，使其在抗热冲击和抗冷脆性能上都有更好的表现。此外，Cr 还能提高钢的抗磨损性能，使其在磨损过程中更不容易发生变形和开裂。
研究表明，在 9%Cr 系耐热钢中，由于 Cr 含量的降低使得其中δ铁素体的含量随之显著减少，从而使得合金具有较高的抗高温性能和抗疲劳性能。此外，δ铁素体也可以有效抑制应力开裂，从而提高合金的韧性。δ铁素体含量预测值[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
钼（Mo）是体心立方点阵晶体结构，钼的熔点是 2625℃。作为铁素体形成元素，钼均能够使合金相图中α相区域变宽，使γ相区缩小变窄，使A1 点升高，可以在α-Fe中少量置换固溶，形成较弱或较强的析出相。Mo 与 Cr 具有类似的成核能力，可以在钢表面生成一层致密的氧化薄膜 MoO3或 MoO2，显著提高钢材的强度和硬度，从而满足结构件对金属材料的要求。Mo 能够被利用来提高固溶体中基体的再结晶温度，通过固溶体强化来阻止铁的自扩散，同时提高了钢在高温下的组织稳定性，阻止了板条马氏体在高温下快速回复和分解。钢的热强性主要是通过合金元素的固溶强化和析出相的弥散强化作用来共同实现的。由于 Mo 元素的熔点高，具有更强的溶解度，而Cr、Mn元素的熔点低，溶解度也较低。所以，Mo 元素能在固溶体中优先溶解，其固溶强化效果大于上述两种元素的总和，这种效果在 T/P91 马氏体钢中更为显著。
Mo 元素在长期高温服役的环境下，组织中会形成金属间化合物Laves 相[48]。该相的析出不仅会增强蠕变强度，还会为亚晶界的运动提供钉扎效应，引起合金基体中Mo元素发生贫化，造成基体固溶强化效果降低。Mo 还有助于降低马氏体起始(Ms)温度并提高较低的临界温度(Ac1)。
4、V 元素的作用
钒（V）是体心立方点阵晶体结构，熔点可达 1890℃，其具有特殊的性质，能够使合金相图 Fe 的α相变区变宽，奥氏体相变区变窄，A1 点显著升高。钒的这一性质使其可以在铁素体中被无限地取代，从而成为强碳、强氮化合物的主要成因。V元素在钢中弥散分布，防止其发生滑移变形，能有效地控制钢中析出相的团聚与长大，进而改善钢的强度。V 具有强烈的固碳作用，能够有效地阻止 C 与 Cr、Mo 等其它合金元素的析出，导致基体贫化，因此能够增强耐热钢的微观结构稳定性，改善耐热钢的服役性能[49,50]。同时，V 还能增强析出相间的交互作用，促使其更加致密的团聚，提高其耐热性和拉伸强度。这是由于 V 能调控析出相的物性，通过改变其形状、尺寸和堆积模式，进而影响其相互间的作用力，使其更易于团聚。V 的固溶强化作用效果弱于Cr、Mo 的强化效果。耐热钢中若钒含量过高，则会引起组织中析出相严重粗化，因此耐热钢中V含量一般控制在 0.15%~0.40%左右。
5、Nb 元素的作用
铌（Nb）的熔点高达 2468℃，是一种体心立方点阵晶体结构。它可以拓宽相图Fe的α相区变宽，使奥氏体相区变窄，A1 点显著增加，同时还可以在α-Fe 铁素体中形成一定的固溶。由于铌（Nb）可以与铁素体发生置换反应，形成强析出相、强氮化物。因此在耐热钢中，V、Nb 和 Ti 三种元素容易形成尺寸细小但可保持长期稳定的析出相颗粒和氮化物颗粒，形成的这些碳氮化物颗粒弥散在高温长期服役状态下聚集长大的速度极其缓慢，碳氮化物的沉淀作用与弥散强化作用可有效提高耐热钢的热强性和高温蠕变性能。强固碳效应可以有效的防止 Cr、Mo 等其它重要合金元素的析出，从而避免基体贫化，同时又可以有效提高耐热钢的微观结构稳定性，改善其机械性能和抗热性能等。在这种情况下，固碳作用可以有效提高耐热钢的抗热变形能力，同时还能有效抑制热脆性的产生，从而改善材料的综合性能。此外，它还可以降低钢中残余奥氏体含量，从而降低淬火变形温度，提高耐热钢的淬火稳定性。
6、N 元素的作用
氮（N）为六方点阵晶体结构，在耐热钢中含量极低，可以在α-Fe 铁素体微量间隙固溶。N 与其他元素如 Ti、Nb、N 等形成氮化物（氮易被碳置换，形成更为稳定的碳氮化物)，达到充分利用氮化物与碳氮化物的沉淀强化的目的。N 也可以对耐热钢中的主要元素如 Cr、Mo、V、Nb 等进行均衡，以促进α相的生成。控制耐热钢中α相的含量，可以使马氏体强化得到充分利用。此外，N 在钢中与 V 易形成VN 析出相，起到强化作用。有研究表明，钢中 N 含量增加至 0.05%以上时，耐热钢的高温蠕变性能显著下降，当增至 0.07%时，钢中析出的 Cr2N 相使得 MX 相强化作用减弱。综合考虑可知耐热钢中N含量应控制在 0.05%以内。
7、其他合金元素的作用
钛（Ti）是体心立方或密排六方晶体结构，熔点是 1660℃。钛可以明显的使铁碳相图 Fe 的α相区变宽，奥氏体相区变窄，可以显著提高 A1 点，在α-Fe 铁素体中发生有限置换固溶反应，形成强析出相，是一种非常重要的析出相形成元素。钛在马氏体耐热钢中起沉淀强化作用，通过自身强力的固碳能力提高钢的热强性。锰（Mn）是体心立方晶体结构，熔点是 1244℃。锰能够使铁碳相图 Fe 的α相区变窄，奥氏体相区变宽，降低A1 点。锰在马氏体耐热钢中起到脱氧，稳定奥氏体，提高扩散系数和淬透性，降低蠕变强度的作用。硼（B）熔点为 2076℃，微量存在于马氏体耐热钢中。硼可以在γ-Fe中固溶，并在晶界附近富集，减小界面的自由能，从而抑制α-Fe 的析出，改善钢的硬化性能。此外，硼还能使 M23C6相变得更稳定，从而减缓了 M23C6相的粗化，使其冲击韧度下降。