核电设备制造中涉及大量的异种钢接头,由于不同材料之间的组织性能差异,使得异种钢接头在连接界面处存在较大的安全隐患,严重时产生界面的剥离,造成关键部件的早期失效。本文从实际核电构件异种钢接头剥离失效行为研究开始,结合引导式力学试验分析了接头区域,包含Type-II型晶界,在不同应力状态下的力学行为,确定过了接头早期失效位置是在不锈钢侧Type-II晶界附近的奥氏体组织区域;通过对SA508-3/EQ309L接头的过渡组织研究,利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、电子背散射衍射(EBSD)等多种分析手段,确定了过渡区域组织分层生长的特征;采用纳米压痕法分析了过渡区域的微区力学性能,获得了过渡区域不同位置组织的应力应变曲线,提出“白亮层”中的残余奥氏体区域为性能薄弱区域,为失效的敏感位置,而扩大马氏体组织范围可以优化过渡区域性能;从热、力、成分差异三个方面设计对比实验,分析了焊接热循环、应力应变、堆焊层材料对过渡区域组织性能的影响;设计添加引导元素试验方法,区分了不同元素对过渡区域马氏体组织生长的影响,发现了 Cr元素扩散范围与过渡区域马氏体组织生长范围的对应关系,并使用透射电镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)等微区分析手段,研究了过渡区域马氏体组织的生长行为研究,找出了影响其生长的关键因素;结合菲克定律,提出类稳态方程,以关键元素Cr扩散范围为参量,建立了过渡区域马氏体层宽度与焊接高温停留时间的的关系,并基于MIG焊SA508-3/Ni52M焊接接头建立了用于过渡区域组织调控的控制方程,并证明了其在一定范围条件下的有效性。本文研究结果表明,实际剥离中的失效早期始于不锈钢侧Type-Ⅱ晶界附近的奥氏体组织区域,裂纹扩展末期裂纹会被过渡区域中的马氏体组织捕获,不能越过高硬度的马氏体进入到母材一侧。引导式力学试验结果表明,过渡区组织力学行为较为复杂,断裂对应平面具有存在差异性的断裂花样,说明过渡区域的性能并不均一。同时,不论何种应力条件下,Type-Ⅱ型晶界并不是界面裂纹扩展的主要路径,其本身具有一定的塑性变形能力,在切应变条件下晶界孔洞闭合,强化晶界性能;在正应力条件下,表现出加工硬化特征,有效的稳定了晶界。通过分析SA508-3/EQ309L接头界面,发现过渡区域包含“白亮层”和奥氏体区域两个区域,其中“白亮层”又包括马氏体区域和白亮的奥氏体区域,而多孔的Type-Ⅱ型晶界并非过渡层中一定存在的特征晶界。过渡区域马氏体组织十分细密,并引入了大量的∑3晶界,虽然使过渡区域中出现硬度升高的现象,但保证了过渡区域一定的塑性变形能力。过渡区域组织组成特征并不符合Jmat Pro计算的预测结果,即没有马氏体+奥氏体混合组织。通过纳米压痕法计算了过渡区域不同位置的力学参数(弹性模量(E)、屈服强度(σy)和加工硬化指数(n))。结果表明“白亮层”区域普遍具有高于母材和堆焊层的屈服强度(>1500MPa),其中的马氏体区域具有高屈服强度、高加工硬化指数的特征,具有良好的力学表现,与堆焊层性能接近。但“白亮层”中的奥氏体区部分性能较差,无法与周围组织性能相匹配。异种钢接头失效,主要是因为性能的突变,从这个角度上说,提高马氏体组织在“白亮层”中的比例,可以缓和接头性能突变。过渡区域在一次热循环中便形成了,包含“白亮层”中的马氏体组织。当二次甚至多次热循环的温度低于奥氏体形成温度或者时间较短时,过渡区域元素扩散稍有促进,但是“白亮层”宽度不会有显著的改变,主要是由于其中的马氏体组织未出现二次生长的缘故;当二次热循环温度高于奥氏体形成温度且保温时间足够时,可以在界面上观察到显著的元素扩散,此时,马氏体层出现了增宽。从力影响的角度来说,过渡区域,尤其是马氏体区域前端的奥氏体区域,并不稳定,当外加应力足够大的时候,界面的位错开动,可以生长出新的马氏体层。当使用了 Cr、Ni含量均较高的堆焊材料时,过渡区域出现了明显的“白亮层”特征,而且其中的马氏体区域也相对较宽。过渡区域马氏体组织生长行为研究中发现,其生长范围与Cr元素的扩散范围相近,生长过程中机械驱动力的影响远小于化学驱动力变化的影响,在驱动力不断变化的情况下,过渡区域马氏体的生长依次调用微观到纳观尺度的调节方式,保证相变的连续进行。过渡区域的扩散行为可以近似使用菲克第二定律进行描述,但是扩散宽度无法有效计算;根据过渡区域形成特点,结合菲克第一定律建立了类稳态方程,可以获得高扩散范围d与温停留时间t0之间的关系。以SA508-3/Ni52M的MIG焊接头数据为参考,拟合了高温停留时间与焊接线能量之间的关系,标定了类稳态方程中的系数k和α,得到了基于MIG焊SA508-3/Ni52M过渡区域马氏体组织宽度的控制方程:基于控制方程,制备了过渡区域具有特定马氏体宽度的接头,将计算值与与实测值进行了比对,高温停留时间误差在0.15s以下,过渡马氏体区域宽度误差控制在0.8μm以下。