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本文以低碳马氏体不锈钢ZG0Cr13Ni4Mo为研究对象,利用高温激光共聚焦显微镜对30℃至1040℃范围内ZG0Cr13Ni4Mo的组织变化过程进行原位观察。通过改变ZG0Cr13Ni4Mo的正火热处理工艺参数研究正火热处理对ZG0Cr13Ni4Mo组织性能的影响。进而基于正火工艺参数的研究结果优化热处理工艺,找出了适用于ZG0Cr13Ni4Mo的强化热处理工艺以及调控ZG0Cr13Ni4Mo屈强比的热处理工艺。ZG0Cr13Ni4Mo加热过程的原位观察显示,570℃奥氏体开始形成,815℃马氏体组织消失。在570～815℃两相区温度范围内,开始阶段奥氏体以针条状形式存在,并存在与马氏体的位向关系;随温度提高,针条状奥氏体逐渐长大融合形成等轴状奥氏体依然保持一定的浮凸形貌即马氏体位向。从900℃开始,奥氏体出现再结晶现象,浮凸现象及马氏体位相逐渐消失;950℃再结晶效果最明显,逆奥氏体相变形成的粗大等轴奥氏体内出现新生成的尺寸更加细小的奥氏体。随着温度继续提高,细小奥氏体间的晶界逐渐消失,变为粗大的等轴奥氏体,再结晶的细化效果消失。正火工艺参数调整是在ZG0Cr13Ni4Mo水轮机铸件常规的“一正二回”(1040℃+620℃+600℃)基础上改变正火次数、正火保温时间和正火温度。首先进行温度1040℃重复次数1至5次的正火热处理,结果表明多次正火时,ZG0Cr13Ni4Mo的塑韧性略微下降但强度明显提升。其中,二次正火组织组织最细、屈服强度最高(787MPa),随着正火次数继续增加,马氏体板条最大长度缓慢变大,强度略微下降,但均高于一次正火对应强度。随后采用1040℃下保温2h、4h、7h、10h和13h的正火工艺,结果表明保温时间延长对ZG0Cr13Ni4Mo的性能无明显恶化,强度均明显提升,但塑性略有下降。其中保温4h样品的强度最高(836MPa),随着保温时间的继续延长,强度缓慢下降。这是由于保温时间延长有利于合金化元素的充分固溶,提升固溶强化效果,但同时促进晶粒的长大,弱化细晶强化的作用。最后采用1040℃、950℃、900℃三个不同温度的正火处理,其中950℃样品屈服强度最高(703MPa),该温度为再结晶效果最佳温度,因此细晶强化效果最明显。水轮机铸件的屈强比常被限制在0.90以下保证工件服役安全性,但实验结果表明多次正火和延长保温时间均使屈强比高于0.90,而950℃正火强度提升有限,并且该温度下大尺寸铸件中合金元素的充分固溶所需时间较长,不利于生产。结合实际生产需求对热处理工艺进行了优化,找出了 1040℃+950℃+620℃+600℃和1040℃+950℃+650℃+620℃两种“二正二回”热处理工艺。前者通过降低二次正火温度成功的在保持塑韧性提高强度的同时将屈强比降至0.89;后者通过提高回火温度将屈强比降至0.80,上述两种工艺可实现对ZG0Cr13Ni4Mo材料屈强比与强度的灵活调整。