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化学成分：物理性能：注:①以上的平均值为三个试样的最低平均值,只允许一个试样的冲击值低于最低平均值;②美国焊接学会(AWS)对E9015-B9焊条和ER90S-B9焊丝没有规定冲击性能要求,但在A5.5-96和A5.28-96标准的附件中则建议,如果需要,具体的冲击韧性要求可由焊接材料的供需双方商议决定;③对埋弧焊缝没有具体的拉伸性能要求,标准中所列的数据显示了埋弧焊缝在实际中所取得的性能(以上数据为有代表性的P91钢焊接接头的性能);④对特定的焊丝/焊剂配合所取得的冲击性能可用下述方法标定出:用一个表示温度的数码代替Z,在此温度下,焊缝金属取得平均≥27J的冲击韧性,例如0=0℃,2=-20℃等等;⑤如供需双方同意,也可采用其他成分的混合气体。发展历程：50年代末,比利时的Liege冶金研究中心研制出9%铬热强钢,法国最大钢管供应商Vallorec公司将之命名为EM12,并用它轧制出了第一批用于电站过热器的钢管。1964年,法国电力公司批准EM12用于温度不超过620℃的过热器和再热器构件。由于EM12韧性差,不能用于厚壁构件,这一因素限制了它在电站中的应用范围。1974年,美国能源部委托橡树岭国家实验室与燃烧工程公司联合研究在9Cr的基础上进行改进的9Cr-1Mo钢(T91/P91),其各方面的性能都优于EM12和F12(X20CrMoV121),它在593℃下10万h的蠕变断裂强度可以达到100MPa。1983年和1984年,美国ASME将T91/P91纳入了标准,表示为SA213-T91/SA335-P91。这种钢在法国标准中表示为TUZ10CrVNb9-10,德国DN标准中表示为X10CrMoV91。1987年,法国瓦鲁瑞克公司针对T91,F12和EM123种钢比较和评估后发表了技术报告,认为T91钢有明显优点,强调要从EM12转为使用T91/P91。20世纪80年代末,德国也从F12转向T91/P91并进一步发展了焊接材料。20世纪90年代中期,我国陕西的蒲城、天津的杨柳青、重庆的珞璜等电厂已经使用了P91钢的主蒸汽管道,20世纪90年代后期,华北电力集团公司所属的一些老机组都陆续在原国产过热器上将102钢管更换为T91钢管。如山西大同二电厂、石景山热电厂、唐山发电厂等,都获得了较好的效果。应用：常用的有手工电弧焊焊条、TIG焊丝、MIG焊丝、埋弧焊丝和焊剂及药芯焊丝等P91/T91钢因具有高的高温强度、优良的抗氧化性能及良好的工艺性能,已成为600~650℃温度段理想的电站锅炉用钢P91/T91钢的成功研制,将电站锅炉的蒸汽温度从566℃提高到593℃和610℃，这种可替代奥氏体不锈钢的铁素体钢,与先进的蒸汽系统的发展相适应,具有广阔的应用前景。到目前为止,P91/T91钢已在世界范围的大型火电机组上得到广泛应用,并有20多年的运行经验,是比较成熟的新型耐热钢。近年来发展的超临界和超超临界机组,也是把P91钢作为主蒸汽管道、再热主蒸汽管热段及其相应的高温联箱用钢的一个重要钢种。强化机理：抗蠕变：T91/P91钢是一种改进的9Cr-1Mo钢,它是在9Cr-1Mo钢的基础上通过添加V、Nb、N等合金元素而形成的马氏体钢。T91/P91钢在正火并经730～760℃回火热处理后,金相组织呈典型的马氏体骨架结构,导致M23C6铬碳化物沉淀在马氏体骨架的边缘,并形成MX形的V/Nb碳氮化物。在较粗的M23C6碳化物及内部较细的沉淀转换成细箔之后,会发现次微粒内较大的错位密度,这种具有高移位密度的细次晶粒结构是T91/P91钢高蠕变强度的决定因素。强化：P91钢采用固溶强化、马氏体强化、碳化物和碳氮化物弥散与沉淀强化、位错网络强韧化、界面强韧化等多种复合强化与强韧化机制,使该钢在高达600℃左右具有良好的热强性,是超临界火力发电机组的主力热强钢种。T91/P91钢则除了固溶、合金碳化物析出外,更大程度上由于细化晶粒,析出弥散的、细小的Nb,V的碳化物、氮化物(MX相)和高密度位错取得室温强度和更高的强度。此外,T91/P91钢除了具有更高的强度以外,还具有优异的韧性。高温使用更好：高温566℃时,P91钢的屈服形变强化指数n0较室温的高出46%。小量塑性变形时高的形变强化指数能保证钢的高温疲劳强度和疲劳寿命。至于构件在高温下的抗过载能力,高的n0值是有利因素,但较低的n1和ψB却是不利因素。P91钢的屈服强度和抗拉强度值可见,566℃时的屈服强度值是室温时的74%,而566℃时的抗拉强度值降为室温时的61%。在室温时屈强比为0176,而在566℃时屈强比则高达0192。这显然有利于高温持久强度和高温蠕变性能的利用,表明该钢在高温使用时强度潜力的充分发挥与经济合理性。P91钢含有大量Cr、Mo等元素通过正火即可得到马氏体组织，P91钢正火态板条马氏体经高温回火后回复为破碎的晶粒细小的回火马氏体，光学显微镜下马氏体板条束位向已不明显，正火态板条马氏体经高温回火后得到典型板条回火马氏体组织，马氏体板条粗大板条束位向明显，马氏体板条在高温回火时并不发生再结晶形成铁素体基体等轴晶粒，而是以多边形回复的马氏体板条碎化，碳化物的析出和亚稳态位错网的形成来释放马氏体相变时的形变储存能，这样回火板条马氏体组织的P91钢既具有马氏体的强化效果又因马氏体高温回复形成的亚稳态多边形结构可抵抗相变点以下高温的长时间作用而成为热强性和热稳定性兼具的优良耐热钢，细小接近等轴状回火马氏体的金相组织优于粗大板条的金相组织，经高温回火后马氏体板条已完全破碎马氏体原始板条分解为许多亚晶粒，马氏体板条及亚晶粒边界上碳化物析出并长大，马氏体板条内部可见位错线呈网状或胞状存在，马氏体的晶界强化位错强化弥散强化均得到较好实现。P91钢焊缝的显微组织由奥氏体+少量铁素体组成,奥氏体中的亚结构为具有一定夹角的隐晶板条马氏体,在马氏体基体上存在有弥散分布的点状析出物。X射线衍射表明,P91钢母材和焊缝的相组成主要为体心立方的α-Fe相和Fe-Cr相热影响区精细组织为板条马氏体,在板条马氏体的晶界和晶内有弥散分布的M23C6碳化物(晶格常数1.064nm),这些碳化物富Cr、Fe、Mo等合金元素,大多为Cr23C6。T91/P91钢时效过程中的性能变化(1)在550℃、600℃下时效,抗拉强度和σ0.2都没有变化。但在650℃下时效2000h以后抗拉强度σ0.2就都会有下降趋势。这种变化说明,虽然它在时效前已经过了750℃以上的高温回火,回火时析出的第2相和基体在600℃以上还不很稳定。它也提示了T91/P91钢的长期使用温度不能超过600℃。(2)与抗拉强度σ0.2相对应,延伸的变化也有类似特征。在550℃、600℃下时效延伸率有明显变化,650℃下时效1000h,延伸率有明显增加,但时效到1万h后延伸率又开始降低。(3)在550℃、600℃下时效,T91/P91钢的韧度有明显的降低,但在时效2万h后韧度还能保持在100J/cm2以上。在650℃下时效时,韧度一直保持稳定变化,可是在经过1万h以后,韧度开始发生明显下降,但仍能保持在100J/cm2以上。这种现象与抗拉强度σ0.2及延伸率的明显降低有关。综上所述,T91/P91钢在550℃和600℃下时效,力学性能变化大。超过600℃后,时效过程中性能变化较明显,但除了韧度以外,强度和塑性都还能满足标准要求,时效后的冲击韧度还能保持在100J/cm2以上。虽说T91/P91钢在试验温度下时效过程中性能变化不大,但应该注意到,T91/P91钢的时效倾向与钢中Si,P的质量分数有关。但是1996年日本金材所报道了该钢长时间蠕变后(600℃、650℃,36MPa,10万h)蠕变强度偏离预测值急剧下降的现象。这个结果使人们联想到600℃以上长时间时效过程中发生的强度降低现象,这个结果也使人们意识到600℃这个温度已经达到或超过了T91/P91钢的极限。现在各国都把T91/P91钢的使用温度极限定在593℃。T91/P91钢在600℃时的许用应力比X20钢和T22/P22钢分别高出25MPa和35MPa,如果再考虑到使用温度极限,T91/P91钢的优越性更为突出。高温抗氧化性能T91/P91钢由于含Cr量高,其抗高温氧化性能明显优于T22/P22钢,特别是在耐热不起皮性能方面。T91/P91及含Nb的9Cr,12Cr铁素体耐热钢,在高温蒸汽作用下所形成的氧化膜不容易剥落,其抗剥离性优于奥氏体钢。钢中Nb的存在,有助于富Cr钝化膜层的形成且有助于提高钝化膜的稳定性。T91/P91钢的抗高温氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能也优于T22/P23和T24/P24钢。化学成分作用：Mn:是良好的脱氧剂和脱硫剂。能提高强度和硬度，能提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。利用锰和硫化合所生成的硫化锰(MnS)夹杂，有使切屑易于碎断的作用。但锰能使钢的抗腐蚀能减弱，对钢的焊接性能也有不利的影响Si:在炼钢过程中用作还原剂和脱氧剂。所以钢中常含有0.20%～0.50％的硅（如果钢中硅含量超过0.50％～0.60％时，硅就算作特殊的合金元素，这种钢就称为“硅钢”硅能显著提高钢的弹性极限、屈服强度和抗拉强度，故可广泛用于制造重负的弹簧钢）。硅和其他合金元素如钼、钨、铬等结合，有提高钢抗腐蚀和抗高温氧化的作用，可用于制造无镍低铬的不锈耐热钢。S:硫在钢中一般认为它是残存在钢中的有害元素之一。它降低钢的延展性及韧性，损害钢的抗蚀性，对焊接也有不利影响等（但在某种条件下，害处可以转化为益处，如在含硫易切钢中，就是提高其硫和锰的含量，使形成较多的硫化锰(MnS)微粒，以改善钢的切削加工性）。P:增加钢的脆性，尤其是低温脆性。磷造成钢较严重偏析的有害元素（磷对提高钢的抗拉强度有显著的作用，也能改善钢的切削加工性）。Cr：加入钢中能显著提高钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力。并能提高钢的强度和耐磨性。能强化固溶体，提高再结晶，提高高温抗氧化能力（耐热不起皮）。Ni:能使钢强化，改善钢的低温性能，特别是韧性，还可以提高钢的淬透性。镍钢的抗锈性也很强，具有较高的对酸、碱和海水的耐腐蚀能力，但在高温高压下对氧介质的抗腐蚀能力无明显效果，反会造成脱碳促使钢腐蚀破裂。所以要对镍的含量要严格控制。Mo：钼在钢中的作用，可归纳为提高淬透性和热强性，防止回火脆性，提高剩磁和矫顽力，提高在某些介质中(如硫化氢、氨、一氧化碳、水等介质)的抗蚀性与防止点蚀倾向等。V：它和碳、氮、氧都有极强的亲和力，与之形成相应的极为稳定的化合物（沉淀强化）。少量的不到0.5％的钒能细化钢的晶粒，提高钢的强度、屈强比和低温韧性，改善钢的焊接性能，也能增加钢的热强性和蠕变的抗力。此外钒对碳的固定作用，还可以提高钢在高温下的抗氢侵蚀。但是，钒总是和其他合金元素如锰、铬、钨、钼等配合使用。但钒含量不宜过高，过高则降低钢的韧性，不利于钢的蠕变性能。Nb：稀有元素，在钢中的作用和钒、钛、锆等类似，和碳、氮、氧都有极强的亲和力，与之形成相应的极稳定的化合物（沉淀强化）。铌能细化钢的晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性，在一定的存在条件下，也能提高钢的强度和韧性及对蠕变的抗力等。在高铬耐热不锈钢中加铌，可以降低钢的空冷硬化性，提高钢的热强性，避免回火脆性，提高其蠕变强度，并改善钢的高温不起皮性，Al：是炼钢时的脱氧定氮剂，并且能细化钢的晶粒，提高钢在低温下的韧性，铝对氮有极大的亲和力，含铝的钢渗氮后，在钢种表面牢固地形成一层薄而硬的弥散分布的氮化铝层，从而提高其硬度和疲劳强度，并改善其耐磨性。铝还具有耐腐蚀性和抗氧化性，可作为不锈耐酸钢的主要合金元素。在钢的表面镀铝或渗铝，可提高其抗氧化性。但是，铝如果大于0.04，则会降低其他元素（V/Nb）的有利作用。N：在钢中的作用主要为：①固溶强化及时效沉淀强化；②形成和稳定奥氏体组织；③改善高铬和高铬镍钢的宏观组织，使之致密坚实，并提高其强度；④借渗入方法与钢表面层中的铬、铝等合金元素化合形成氮化物，增加钢表面层的硬度、强度、耐磨性及抗蚀性等。但氮在钢中的作用，也有其不利