SA508 Gr.3钢广泛应用于制造核电压力容器类大型锻件,包括核反应堆压力容器、稳压器以及蒸汽发生器,对核电站的安全运行起到至关重要的作用。在服役过程中,高温、高压的工作环境以及承受中子辐照等因素将逐步恶化SA508 Gr.3钢的力学性能,尤其是冲击韧性,所以要求这类大型锻件具有较高的初始性能。研究SA508Gr.3钢核电压力容器大型锻件在热处理过程中的组织演变是保障得到较高初始力学性能的有效方法。本文研究了核电压力容器大型锻件用SA508 Gr.3钢中的贝氏体相变动力学、回火组织演变规律以及成分偏析对组织性能的影响,建立了工艺-组织-性能之间的关系,解释了热处理过程中组织演变影响SA508 Gr.3钢大型锻件力学性能的内在机理。首先,本文研究了SA508 Gr.3钢中贝氏体等温转变特征。采用相变热力学计算、膨胀实验和组织观察的方法,确定了贝氏体的形成温度区间、最大转变量与等温温度的关系以及贝氏体形成温度区间内的TTT曲线。热力学计算和组织观察结果表明:在551℃～520℃等温形成无碳化物贝氏体,上贝氏体与无碳化物贝氏体的过渡温度约为520℃,上、下贝氏体的过渡温度约为440℃。对膨胀曲线的分析和定量金相结果表明:SA508 Gr.3钢贝氏体等温转变存在明显的不完全转变现象,贝氏体的最大转变量f_max随等温温度的降低而升高,两者之间满足以下关系:f_max=1-exp[-α×(551-T)],其中α=0.04。相变动力学分析结果表明:SA508 Gr.3钢贝氏体形成温度区间内的TTT曲线整体呈C形状,实验测得的鼻尖温度和动力学模型预测的鼻尖温度均在490℃左右,另外靠近Ms温度时贝氏体相变出现明显的加速现象。通过以上分析可知,SA508 Gr.3钢大型锻件中的贝氏体相变具有贝氏体种类繁多、相变复杂的特点。其次,研究了SA508 Gr.3钢中残余奥氏体回火时的分解特征。采用组织定位观察和膨胀实验等方法,得到了残余奥氏体分解产物以及分解动力学特征与回火温度的关系。并将残余奥氏体的回火分解特征应用于回火工艺设计,得到可以明显改善SA508 Gr.3钢冲击韧性的两步法回火工艺。磁性法实验结果表明:采用0.75℃/s的冷速冷却至室温后,得到的组织中含有约9%的残余奥氏体。组织中的残余奥氏体有两种形态:一是分布于原奥氏体晶界附近呈不规则块状形态,二是分布于贝氏体-铁素体板条间呈薄膜状或条状形态。组织定位观察结果表明:低于190℃时,残余奥氏体可以保持稳定不发生分解;在190℃～247℃之间时,残余奥氏体以非常缓慢的速率转变为高碳马氏体组织;在247℃～461℃之间回火时,残余奥氏体分解形成贝氏体组织;更高温度回火时,残余奥氏体分解形成长条状碳化物+铁素体的混合组织。冲击试验结果表明:在650℃回火时残余奥氏体分解形成的长条状碳化物严重降低了微裂纹形核所需要的临界应力,导致铁素体-碳化物界面成为微裂纹形核的起源,最终严重恶化了SA508 Gr.3钢的冲击韧性;通过添加400℃预回火处理,使大部分的残余奥氏体转变为具有较高韧性的下贝氏体组织,可以较大程度的改善SA508 Gr.3钢的冲击韧性。通过以上分析可知,残余奥氏体的分解产物对SA508 Gr.3钢的冲击韧性具有较大的影响,改进后的两步法工艺对改善SA508 Gr.3钢的冲击韧性具有良好的效果。最后,研究了大型锻件中存在的成分偏析对SA508 Gr.3钢组织演变和力学性能的作用。采用电子探针(EPMA)、扩散模型计算、组织观察和性能试验等手段,得到了实验材料中初始偏析情况以及扩散均匀化处理后的均匀化程度、微观组织和力学性能与成分偏析的关系。电子探针成分定量分析结果表明:成分偏析主要是合金元素Mn、Mo和Ni的偏析,各元素在正偏析区的含量比负偏析区高出0.3～0.5(wt.%);高温扩散均匀化处理可以明显改善偏析程度,降低正、负偏析区合金元素的浓度差。组织观察结果表明:采用0.75℃/s的冷速冷却至室温后,未均匀化处理的试样中合金元素富集的正偏析区得到马氏体组织,而合金元素贫化的负偏析区得到粗大的上贝氏体+约10%的马氏体-奥氏体(M-A)岛状组织,回火后富碳的M-A岛分解形成大量碳化物堆积现象;均匀化处理的试样,淬火后负偏析区M-A岛含量降低至3%左右。冲击实验结果表明:均匀化处理后的试样冲击吸收功明显高于未均匀化处理的试样,冲击断口附近的组织观察表明M-A岛分解形成的碳化物堆积区域成为裂纹空洞形成的起源,恶化了SA508 Gr.3钢的冲击韧性。由以上分析可知,通过均匀化处理提升负偏析区合金元素的含量可以改善负偏析区的组织,从而提高SA508 Gr.3钢的冲击韧性。本文以热处理过程中的组织演变研究为基础,分析残余奥氏体分解和成分偏析对SA508 Gr.3钢组织和力学性能的影响。通过对热处理工艺的改进,达到调控组织性能的目的。优化核电压力容器类大型锻件实际生产过程中的热处理工艺,改善核电大锻件的组织和性能。