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近年来，随着我国火力发电技术的高速发展，火电机组运行参数不断提高，以Super304H、HR3C为代表的新型奥氏体耐热钢在超临界（SC）及超（超）临界（USC）火电机组中的应用越来越多。这些材料在USC火电机组中的运行状况是影响机组效率及可靠性的关键。为揭示Super304H、HR3C耐热钢长时间高温运行过程中的结构和性能变化规律，高温塑性变形行为以及失效机制，有必要开展高温时效加速试验模拟研究。研究成果对于开展SC及USC火电机组耐热钢构件的运行状态评估具有重要的指导意义。本文针对Super304H、HR3C耐热钢，进行650℃长达3000h的高温时效处理，通过时效态耐热钢的显微组织结构及其室温力学性能的研究，建立时效过程中耐热钢显微组织结构与力学性能变化的对应关系，同时研究了时效耐热钢的高温拉伸变形行为及断裂机制，最后采用应力三轴度理论对此现象进行了解释。供货态Super304H钢基体相为奥氏体。时效后，Super304H钢中形成更多的ε富铜相、Nb（C, N）相和M7C3相。时效初期，M7C3相在晶界大量析出，导致其室温强度、硬度显著增加，但冲击韧性大幅降低；随时效时间的延长，M7C3相逐渐粗化，沿晶界连续状分布，导致其室温力学性能降低。时效过程中，ε富铜相和Nb（C, N）相在奥氏体晶内持续析出和弥散分布，提高其热稳定性。时效初期（<300h），Super304H钢高温强度显著提高，但塑性快速下降。在时效300-500h后，其高温强度及塑性快速下降。在此后的时效过程中，其高温强度及塑性逐渐趋于稳定。时效态Super304H钢高温拉伸断裂呈剪切断特征，具微孔聚集型断口形貌，韧窝呈抛物线型，在大韧窝之间出现无明显塑性变形的延伸区。供货态HR3C钢基体相也为奥氏体，晶内孪晶明显，基体中含有少量MX及M23C6相。长期时效后，共格孪晶逐渐消失，M23C6相在晶界及孪晶界处析出，而MX相在晶内弥散析出。晶界及孪晶界的析出强化及晶内第二相的弥散强化是引起HR3C钢力学性能及断裂方式变化的主要原因。此外，在高温时效过程中，孪晶界的变化也会对其力学性能产生影响。经长期时效后，HR3C钢组织结构趋于稳定，热稳定性优良。时效初期（<500h），HR3C钢高温强度变化不大，拉伸试样发生正断，断口粗糙；时效中期（500-1000h），其高温强度大幅提高，但塑性持续降低。试样拉伸断口上有大量剪切带，沿厚度45°方向发生剪切断，断口较平整；时效后期（>1000h），HR3C钢高温强度和塑性变化不大。应力三轴度理论能很好地解释时效Super304H及HR3C耐热钢的上述高温拉伸断裂行为。