T/P91鋼中合金元素的作用
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，含碳量過高，會引起基體中 Cr 元素貧乏，同時促進(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，在高溫長期應(yīng)力的作用下，會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)象會導(dǎo)致鋼的熱強度下降，同時也會提高鋼的脆性[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）是體心立方點陣晶體結(jié)構(gòu)，其熔點達(dá)到 1857℃。作為強鐵素體形成元素之一，鉻能夠顯著擴大合金相圖中 Fe 的α相區(qū)，封閉γ相區(qū)，提高A1 點。Cr 在α-Fe中可以形成置換固溶體，并且可以無限固溶，使得它具有較強的析出相形成能力。
在高 Cr 鋼中，Cr 元素的作用有四個方面：一方面提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性[41]。Cr 含量過高，鋼表面自動形成一層無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性。主要依靠在基體中起到的固溶強化、提高再結(jié)晶溫度以及析出相的彌散作用，但Cr 的固溶強化十分有限；一方面 Cr 是鋼在回火和時效過程中形成強化相 M7C3和 M23C6的主要元素[40]。當(dāng)鋼的含鉻量在 5%以下時，在 600℃便發(fā)生嚴(yán)重的氧化反應(yīng)，而當(dāng)含鉻量為5%時，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 含量過高，合金析出相粗化行為加快，引起鋼在回火過程析出強化反應(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）是體心立方點陣晶體結(jié)構(gòu)，鉬的熔點是 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 點升高，可以在α-Fe中少量置換固溶，形成較弱或較強的析出相。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，顯著提高鋼材的強度和硬度，從而滿足結(jié)構(gòu)件對金屬材料的要求。Mo 能夠被利用來提高固溶體中基體的再結(jié)晶溫度，通過固溶體強化來阻止鐵的自擴散，同時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。鋼的熱強性主要是通過合金元素的固溶強化和析出相的彌散強化作用來共同實現(xiàn)的。由于 Mo 元素的熔點高，具有更強的溶解度，而Cr、Mn元素的熔點低，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 元素在長期高溫服役的環(huán)境下，組織中會形成金屬間化合物L(fēng)aves 相[48]。該相的析出不僅會增強蠕變強度，還會為亞晶界的運動提供釘扎效應(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）是體心立方點陣晶體結(jié)構(gòu)，熔點可達(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 點顯著升高。釩的這一性質(zhì)使其可以在鐵素體中被無限地取代，從而成為強碳、強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)聚與長大，進(jìn)而改善鋼的強度。V 具有強烈的固碳作用，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，V 還能增強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度。這是由于 V 能調(diào)控析出相的物性，通過改變其形狀、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 的固溶強化作用效果弱于Cr、Mo 的強化效果。耐熱鋼中若釩含量過高，則會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）的熔點高達(dá) 2468℃，是一種體心立方點陣晶體結(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 點顯著增加，同時還可以在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)，形成強析出相、強氮化物。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期服役狀態(tài)下聚集長大的速度極其緩慢，碳氮化物的沉淀作用與彌散強化作用可有效提高耐熱鋼的熱強性和高溫蠕變性能。強固碳效應(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化的目的。N 也可以對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。控制耐熱鋼中α相的含量，可以使馬氏體強化得到充分利用。此外，N 在鋼中與 V 易形成VN 析出相，起到強化作用。有研究表明，鋼中 N 含量增加至 0.05%以上時，耐熱鋼的高溫蠕變性能顯著下降，當(dāng)增至 0.07%時，鋼中析出的 Cr2N 相使得 MX 相強化作用減弱。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，在α-Fe 鐵素體中發(fā)生有限置換固溶反應(yīng)，形成強析出相，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化作用，通過自身強力的固碳能力提高鋼的熱強性。錳（Mn）是體心立方晶體結(jié)構(gòu)，熔點是 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。錳在馬氏體耐熱鋼中起到脫氧，穩(wěn)定奧氏體，提高擴散系數(shù)和淬透性，降低蠕變強度的作用。硼（B）熔點為 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。