5Cr21Mn9Ni4N（21-4N）是目前世界各国用来制造排气门的主要钢种，在汽车工业中获得广泛应用。使用前的组织状态对排气门的失效特性或服役性能有较大的影响，尤其基体中存在层状组织会严重影响排气门的高温使用性能。值得注意的是由于排气门是在高温环境下工作（700-900℃），室温下无层状析出的基体在高温服役过程中可能发生分解，形成由(γ+M₂₃C₆+CrN)组成的层状组织，甚至σ相。这种服役过程中产生的层状组织同样严重的影响排气门的高温使用性能，是导致排气门早期失效的主要原因之一。 为探讨影响21-4N系排气门用钢组织稳定性的主要因素，根据近年失效排气门累计反馈，本文选择标准牌号的21-4N钢及改进型21-4N（Nb，V）钢（1#和2#样品）、两种不同原始组织状态标准21-4N钢（3#和4#样品）进行等温时效处理，利用X射线衍射、扫描电镜、金相显微镜等跟踪观察时效过程中组织结构变化，并进行定性及定量分析。利用透射电子显微术观察层状组织的微观形态。对不同含量层状组织的试样进行室温及高温力学性能进行测定，并观察其断口形貌。综合分析研究合金成分、原始组织状态对21-4N系耐热钢组织稳定性的影响。选择典型的失效排气门进行分析验证基体组织稳定性及其层状组织对排气门服役性能的影响。 论文主要研究结果如下： （1） Nb、V的加入提高了21-4N系耐热钢的组织稳定性，改进型21-4N（Nb, V）钢在等温时效过程中基体不易发生分解，形成少量的层状组织。 （2） 原始组织状态对21-4N钢的热稳定性有较大的影响，不稳定的基体组织在等温时效过程中容易发生分解形成层状组织(M₂₃C₆+γ)，甚至片状σ相。 （3） 层状组织的形成降低了21-4N系耐热钢的高温强度及韧性指标。 （4） 层状组织的形成使基体的强度、承载能力大大降低，还极易使气门在应力集中部位萌生裂纹，甚至促进燃气沿晶腐蚀。服役过程中大量层状组织的形成是导致排气门过早失效的主要原因。