我国是一个多煤少油的国家，能源结构以煤炭为主，发电用能源构成也以煤炭为主。但是煤炭并非可再生资源，且煤炭在发电同时会对环境产生破坏。因此，发展高效率和低排放的发电技术成为国际重点关注与发展的领域。目前超超临界发电技术是国际上最先进且已经商业化的发电技术，超超临界发电机组的温度与蒸汽压力越高，则其热效率就越高、煤耗越低。但是在更高的运行温度与蒸汽压力下，机组管道材料的性能成为制约超超临界发电技术发展的关键。在此背景下，本文利用基因优化算法和Thermal-Cal软件设计了两类（基体分别为奥氏体和马氏体）四种钢（APH钢、MSSI钢、MPHI钢、MPHS钢），并对这四种钢力学性能与组织稳定性的相互关系进行了深入研究，以期能为650℃耐热钢的开发提供一定的依据。　　通常，固溶强化与沉淀强化是火电用耐热钢中最常用的两种强化方式。对于已选定的基体，通过添加固溶强化元素，如Cr、Mo、W、Mn等来影响固溶体内原子键间的结合力，产生晶格畸变，改变再结晶温度和扩散过程等方式，从而对基体起到固溶强化作用，提高组织的热稳定性和热强性。此外，从过饱和的固溶体中沉淀出第二相也是提高材料热强性的有效途径之一。然而不同类型的析出相在基体中的析出位置、尺寸大小、体积分数不尽相同，从而对组织的热稳定性与热强性产生不同的影响。MX碳氮化物多在位错线处形核，对位错起到强烈的钉扎作用，从而能大大提高耐热钢的蠕变强度。同时MX碳氮化物具有非常低的粗化速率和较高的热稳定性，故而常被用作耐热钢中的重要强化相。基于以上特点，本文设计了利用MX相强化的奥氏体型耐热钢（APH钢）和马氏体型耐热钢（MPHI钢），固溶强化马氏体型耐热钢(MSSI钢)以及固溶强化和沉淀强化共同作用的马氏体型耐热钢（MPHS钢）。　　而后根据设计的成分，制备了实验用钢。因实际制备得到的钢的成分与设计成分有些略微的差异，故对实际钢的成分重新进行了模拟计算，其结果仍然满足成分设计过程的各种判定与优化标准。对热处理后的实验材料，采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等试验方法，对设计钢固溶和时效处理后的基体组织、650℃时效过程中析出相的析出行为、析出形貌与分布等进行表征分析。并通过相应的冲击、拉伸等力学实验，对设计钢的常规力学性能进行了分析比较。　　由于APH钢具有全奥氏体结构，因此表现出良好的拉伸性能。但从组织分析中可发现，在固溶后的基体中存在大量的一次析出相Ti(C,N)夹杂物，这种夹杂物的存在很难通过热处理的方式消除。冶炼过程形成的夹杂物大量消耗强碳化物形成元素，大大降低时效后期MX相的析出，对成分设计的强化效果产生了不利影响。　　MSSI钢是以固溶强化为主的马氏体耐热钢，通过添加Cr、Ni、Mo、Al、Co等强化元素从而实现预期强化效果。但制备后得到的基体却为马氏体与δ-铁素铁混合的双相钢，未能实现预期效果。MPHS钢也得到了类似于MSSI钢的结果。　　MPHI钢具有全马氏体结构，与P92钢的对比实验发现，MPHI钢中翼形强化相(Nb，Ti)(C，N)的析出，大大改善了MPHI钢在650℃时效过程中的力学性能。在材料设计中通过提高MPHI钢中MX相的体积分数，使其在时效600h后的硬度高于P92钢。基于基因算法设计的耐热钢，仅有MPHI钢实现了预期目标，因此对新型耐热钢的成分设计还需要更多的努力。