核电厂核安全级机械部件的设计大量选用304L奥氏体不锈钢,它们承担着运行工况载荷和放射性包容功能。奥氏体不锈钢机械部件在制造和安装过程中往往需要进行焊接和打磨工艺操作,从而导致材料表面发生氧化或引起粗糙度的改变,使原本在室温下形成的钝化膜或基体组织遭到破坏。因此,开展304L焊接氧化及打磨对高温水氧化的影响研究,不仅能清晰的认识焊接氧化和打磨操作对基体表面状态影响的现象、过程及机理,还能评判上述工艺过程对基体高温水腐蚀的影响程度,为相关核安全级设备的安全评价奠定制造工艺影响的理论基础,同时也为制定和优化核安全级设备焊接工艺及打磨工艺提供普适性理论支撑和工程指导。本文以核级304L及其焊缝为研究对象,首先研究了无惰性气体保护条件下钨极氩弧焊焊缝金属、母材表面氧化膜以及不同磨粒尺寸砂纸打磨条件下母材表面状态的变化,进而研究了焊接氧化膜、表面打磨操作对高温水氧化影响的规律与机理。结合光学显微镜、激光共焦扫描显微镜、扫描电子显微镜、X射线能谱、俄歇能谱、X射线光电子能谱、激光拉曼光谱、聚焦离子束以及透射电子显微镜等分析手段,对氧化膜成分、结构、形成过程,打磨表面状态、性能与晶体缺陷演变进行了细致地分析,建立了焊接氧化膜生长模型、表面打磨状态演变模型、焊接氧化膜表面及打磨表面高温水氧化模型,发现了焊接氧化膜及打磨工艺对高温水氧化行为的影响规律并揭示了相关影响机理,取得如下主要结论:(1)焊缝金属整体呈现“等温”氧化特征,Cr氧化形成CrO3导致氧化膜贫铬。外层Fe2O3颗粒、内层Fe3O4和FeCr2O4颗粒、沿膜-焊缝金属界面分布的NiO和氧化膜膨胀应力导致的裂隙共同构成了焊缝金属氧化膜的典型结构。基于典型结构、热力学第二定律及氧势分析复现了氧化膜的生长过程、揭示了其生长机理。(2)临近熔合线的母材呈现“梯度”氧化特征,氧化程度及膜厚变化趋势与焊接峰值温度场变化趋势一致。宏观形貌中蓝色区域为Cr-O膜,该区域两侧往外扩展依次是Cr-Fe-O膜区、Fe-Cr-O膜区。结合典型富铬及贫铬区氧化过程及热力学分析推导出温度影响氧化膜组成的“四区间”及其氧化机理,对整个焊接接头的氧化规律进行了“一体化”揭示。(3)经90天高温水氧化后,覆盖富铬焊接氧化膜区域的表面氧化物颗粒尺寸显著小于其它区域(包括有或无焊接氧化的区域),其它区域氧化物颗粒尺寸接近。基于这一现象发现了由氧化膜结构和厚度决定的高温水氧化饱和效应。对焊接氧化膜与高温水氧化速率的关系进行了数值化分析,推导出富铬膜、贫铬膜与氧化速率的反函数关系。建立了焊接氧化累积高温水氧化情景下的膜厚计算理论和经验公式。基于焊接氧化模型和高温水氧化模型分析得到焊接氧化膜累积高温水氧化的关键机理,即焊接氧化膜中铁氧化物溶解及NiFe2O4的生长。(4)打磨工艺中随着磨粒尺寸增大,表面粗糙度、硬度逐渐增加而压应力逐渐降低,但对强度均值无影响。磨粒尺寸差别导致的塑性变形及弹性变形差异决定了打磨处理表面的性能。通过对磨痕的立体化表征发现了粗磨粒导致纳米马氏体转化深度及晶粒大小与磨痕峰、坡、谷的关系,揭示了马氏体相变的γ-奥氏体(fcc)→α’-马氏体(bcc)过程及K-S切变机制。同时,发现了细磨粒导致表层位错密度平均增加约2.5×105倍,揭示了其塑性变形的位错滑移及位错增殖机制。(5)不同打磨处理的试样经90天高温水氧化后,表面均形成外层为铁氧化物、内层为富铬氧化物的双层氧化膜。磨粒越粗,外层氧化膜中Fe2O3越多而Fe3O4越少,高温水氧化进程越快。进一步地根据表层金属晶体缺陷与高温水氧化膜结构的关联,发现粗磨粒更易促进高温水氧化的规律。通过对不同磨粒导致的线、面型晶体缺陷的定量分析,建立了晶体缺陷促进高温水氧化的数值模型,揭示了粗磨粒导致内层富铬氧化膜更薄、氧化膜总厚度更厚的微观机理是粗磨粒导致的纳米马氏体晶界增加对Cr元素扩散的促进作用弱于细磨粒导致的位错密度增加的促进作用。