铸造奥氏体不锈钢作为压水堆核电站一回路主冷却剂管道、阀体以及冷却泵等压力边界部件用的主要结构材料在反应堆冷却剂运行温度(288-327℃)下长期工作,其性能会产生劣化,一旦劣化问题严重,将会影响到一回路压力边界的完整性和核电站的安全运行。因此,研究铸造奥氏体不锈钢的热老化机理有着至关重要的意义。本文系统的分析了国产静态铸造Z3CN20-09M奥氏体不锈钢长时服役后的宏观力学性能和微观组织结构,总结了性能和组织在整个老化过程中的变化规律,并在此基础上对热老化机理进行研究。本文对铸造Z3CN20-09M奥氏体不锈钢的热老化行为进行了研究,主要工作有以下四个方面：第一,分析了铸造Z3CN20-09M钢在经历热老化后的金相显微组织形态；对其进行了洛氏硬度及维氏硬度测试,得到了硬度变化规律。第二,通过静拉伸试验以及切口冲击试验获得材料的强韧化性能；并采用t统计检验方法对所得力学性能数据进行了评价,以此查明影响材料强韧化性能劣化的因素；之后说明形变硬化指数的意义,在拉伸形变的基础上得到其变化规律。第三,借用扫描电镜分析材料拉伸断裂及冲击断裂的断口形貌,包括宏观断口和微观断口,通过分析总结得到铸造Z3CN20-09M钢热老化的断裂机理。第四,利用透射电镜对铸造Z3CN20-09M钢进行微区观察,并与短时热老化的亚结构相比,从而总结长时热老化后材料亚结构发生的变化；并结合力学性能的研究结果,得出材料的热老化机理。最后,通过预测管道服役超长年限后的性能值,对管道服役年限提出建议。