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本文利用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射分析等测试方法,通过固溶处理试验、长时时效试验和力学性能试验等试验方法,优化了S31042钢的固溶工艺；系统研究了S31042钢在高温下的组织演变规律及其对力学性能的影响,讨论了S31042钢的强化机理；根据强化机理对其成分进行优化,得到了优化的成分范围。获得的主要结果如下：相对于保温时间,固溶温度对S31042钢的微观组织和力学性能影响更为显著。随着固溶温度的升高,S31042钢中一次富铌析出相的尺寸、数量均减小,强度逐渐降低,塑性略有升高。不同固溶工艺处理后进行700℃长期时效试验,随初始固溶温度升高和保温的延长,时效态钢中析出的细小第二相的数量明显增多,强度指标明显上升,提高固溶温度延长保温时间有利于S31042钢的长期时效态性能。S31042钢固溶态时主要有未溶解的一次Z相和MX相,尺寸在100～800nm。高温长时时效过程中的析出相有M23C6相、Z相、MX相、σ相和M6C相,得到了S31042钢在650、700和750℃时效过程中第二相的析出序列。高温时效后,M23C6相主要在晶界上析出,少量分布在孪晶界及晶内。随着时效时间的增加,晶界上的M23C6相由分散细小的颗粒状逐渐长大成连续的链状,再逐渐演变为大块的断续分布的颗粒状。晶界处M23C6相的长大规律符合Ostwald熟化机制,得到了在650、700℃和750℃的动力学长大方程。Z相主要在晶内析出,长时时效过程中尺寸和形态的变化都很小,尺寸一直在100nm以下,在钢中稳定存在。Z相的形成主要受Nb元素的扩散控制。σ相易在晶内的M23C6相上形核析出,也有在晶内单独析出,700℃时效超过3,000h,晶内发现σ相与M23C6相的复合析出,在750℃300h时效态就发现了类似的现象,时效温度升高促进σ相的析出。M6C相在750℃6,000h和10,000h长时时效后被发现,可能由M23C6相转化而来。时效温度对析出相的析出行为影响显著。随时效温度的升高,M23C6相的析出速率和粗化速率均明显升高,形貌演变也明显加快。时效温度对Z相的粗化速率影响较小,长时时效过程中,其尺寸和形貌随时效温度变化很小,但析出速率随时效温度的升高显著加快。高温应力对M23C6相的影响不明显,其演变过程与无应力时效态基本一致。应力对Z相的影响较为显著,应力作用下位错运动受到Z相的阻碍,在Z相周围形成位错塞积,而新的Z相又容易在位错处形核析出,形成团簇状析出,与位错缠绕在一起。S31042钢时效过程中的性能变化与析出相的演变密切相关。700和750℃时效过程中出现了过时效现象,750℃时效超过300h后高温屈服强度明显下降,700℃时效超过6,000h略有下降,时效温度升高使硬度和高温屈服强度的峰值提前出现,时效温度升高使M23C6相颗粒长大速度增大,强化效果快速降低或者失去,是出现过时效的主要原因。冲击韧性在时效初期迅速下降,时效时间超过1,000h,不同温度时效下冲击韧性的变化略有不同,650℃时效冲击韧性一直下降,700℃时效保持平稳,750℃出现上升趋势,这种差异主要是由于晶界处M23C6相形貌的影响。S31042钢持久寿命不随铌含量的增加而单调增长。含0.40%Nb试验钢的持久性能最好。对S31042钢进行成分优化,降低碳、硅含量,加入少量钒及微量硼元素,优化成分后的S31042钢持久强度明显升高,700℃下10万小时持久强度外推值达到80.1Mpa,比优化前高出约30%。