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经熔炼和热加工得到厚度为12mm的奥氏体耐热钢HR3C钢板,利用扫描电镜、背散射电子衍射、X射线衍射、透射电镜、硬度测试和蠕变试验等方法研究了不同热处理工艺对奥氏体耐热钢HR3C显微组织和力学性能的影响,得到如下结论：HR3C钢经1150、1200和1250℃保温1h后水冷固溶处理后的组织为奥氏体基体上分布着粗大的NbCrN(即Z-相)颗粒,其数量随固溶处理温度的升高而减少；1150℃较低温度固溶处理后晶粒中位错密度较高,随着固溶处理温度的升高,晶粒不断长大,晶粒内部的位错密度减少。HR3C钢的硬度随固溶处理温度的升高而降低。固溶处理后的HR3C钢在650-950℃短期时效1h,在奥氏体晶界上析出了M23C6型碳化物；在800～900℃范围内时效1h后,在晶粒内部析出纳米尺寸的Z-相,随固溶处理温度的升高,纳米尺寸Z-相析出的密度越高。1150℃固溶处理的HR3C钢由于晶粒内部存在高密度的位错,在650-950℃短期时效过程中晶粒发生再结晶,晶粒大小出现异常变化。在650-1050℃短期时效的过程中,固溶处理后的HR3C钢的硬度随短期时效温度的升高先降低后升高,在850℃时达到最大值,硬度变化与纳米尺寸Z-相的析出强化有关。1250℃固溶处理后的HR3C钢在650℃长期时效过程中,在晶界处析出M23C6型碳化物,随着时效时间的延长,M23C6型碳化物逐渐长大并沿晶界由断续到连续分布；650℃长期时效860h后,在基体内析出高密度纳米尺寸Z-相；时效1900h后,在晶粒内部出现须状析出物,透射电镜高倍观察发现这些须状析出物是许多纳米尺寸颗粒的聚集成的须状团簇。HR3C钢经1250℃固溶处理和850℃时效1h后的析出纳米尺寸Z-相稳定性高,在650℃长期时效过程中随时间的延长几乎不长大。由于纳米Z-相的弥散强化作用,HR3C钢的硬度随着时效时间的延长而增大。700℃/218MPa条件下的蠕变试验结果显示HR3C钢的蠕变断裂方式为沿晶断裂；850℃短期时效1h后的HR3C钢因晶界处析出的M23C6型碳化物的影响,蠕变性能较1250℃固溶处理态降低。