超低C控N的316LN奥氏体不锈钢,具有良好的加工性能、优良的综合力学性能以及耐晶间应力腐蚀性能,被选用作第三代AP1000压水堆核电站的一回路主管道材料。不同于第二代压水堆核电站的铸造主管道,AP1000主管道采用管体和管嘴整体锻造成形,制造难度很大。AP1000主管道锻造工艺的关键是有效地解决锻造过程中的混晶问题,使晶粒细匀化；在钢锭镦粗、拔长等压实阶段,有效地控制裂纹尤其是表面裂纹的产生。西屋公司对AP1000主管道的晶粒度提出了严格要求,要求其晶粒度整体大于ASME 2级,而316LN钢是单相奥氏体不锈钢,不能通过热处理改善组织,故热锻完成后的组织对主管道的最终力学性能起着决定性作用。因此,掌握316LN钢在多道次热锻过程中的微观组织演变规律和断裂行为对AP1000主管道的制造技术控制至关重要。本文针对AP1000核电站主管道的锻造过程,通过大量的Gleeble实验和热处理实验,研究了316LN钢在多道次热变形过程中的动态再结晶、静态再结晶和亚动态再结晶组织演变规律、奥氏体晶粒长大规律和断裂行为,建立了再结晶、晶粒长大和韧性断裂模型。实验结果将有助于主管道在锻造过程中的组织控制及裂纹预防,并可为主管道加工工艺优化设计提供参考数据和数值模拟模型。通过大量的Gleeble单道次和双道次热压缩实验,研究了主管道材料316LN钢在热变形过程中动态再结晶、静态再结晶以及亚动态再结晶行为。研究发现,在热变形过程中,316LN钢较难发生动态回复,其主要的软化机制是动态再结晶,动态再结晶临界应变与峰值应变的比值仅为0.38;动态再结晶优先在晶界、三叉晶界和孪晶界形核,也可在形变带附近形核,再结晶主要形核机制为形变诱导晶界迁移机制。在多道次热变形过程中,当变形施加的真应变小于动态再结晶临界应变时,随后的间歇过程中的软化行为表现为静态回复和静态再结晶；当变形施加的真应变超过亚动态再结晶临界值时,道次间歇过程中发生亚动态再结晶。有效地解决了由于DEFORM-3D有限元模拟软件在计算的过程中以等效应变和等效应变速率为变量,而引起的再结晶组织演变模拟结果与实验值偏差较大的问题。根据热模拟实验数据,建立了再结晶动力学、晶粒尺寸与真应变、真应变速率之间的经典关系方程。将这些模型直接应用于DEFORM-3D软件中,模拟316LN钢的变形过程组织演变行为时会产生较大偏差,因此必须对再结晶模型进行修正,采用等效应变和等效应变速率替代真应变和真应变速率。借助DEFORM-3D软件将真应变和真应变速率转换为相应的等效应变和等效应变速率,以等效应变和等效应变速率为参数重新构建了再结晶模型,利用重建后的再结晶模型进行DEFORM-3D有限元模拟时,模拟结果和实验值之间符合地很好。通过大量的热处理试验研究了316LN钢900～1200℃下保温0.25～10h的奥氏体晶粒长大规律。当温度低于1000℃时,316LN钢的奥氏体晶粒长大速度较慢;当温度高于1050℃时,奥氏体晶粒长大速度较快。当保温时间短于0.5 h时,316LN钢的奥氏体晶粒长大速度较快；由于晶粒长大驱动力的不断减小,保温时间长于0.5 h时,奥氏体晶粒长大速度明显放慢。316LN钢长时间高温下保温后的晶粒尺寸基本不受初始晶粒尺寸的影响。根据热处理实验数据,建立了316LN钢奥氏体晶粒尺寸随温度、时间和初始晶粒尺寸变化的方程,奥氏体晶粒长大常数n为2.47。在900～1200℃、0.01～1s1-的热拉伸变形参数范围内,当颈缩发生后,颈缩附近的变形比较剧烈,形变量较大。当变形温度为1200℃、应变速率为1s-1时,断口附近的再结晶形核率和再结晶晶粒长大速率都较高,在形核和长大两个过程的共同作用下,断口附近的再结晶组织最为均匀细小：此变形条件下试样的断面收缩率也最高,塑性最好。在900～1100℃下,316LN钢的断面收缩率在应变速率为0.1s-1时出现峰值。316LN钢基于正则化的Cockcroft & Latham准则的临界断裂因子与其Zener-Hollomon参数的对数之间存在线性关系。