13Cr4Ni超级马氏体不锈钢具有优异焊接性、抗蚀性和良好的综合力学性能,被广泛应用于水轮机叶片、天然气管道、海洋平台等。本文利用热模拟试验机分别在850~1150℃和0.001~1变形条件下对该材料进行单轴、单道次压缩变形;研究了该钢热变形后流变应力和显微组织的演变,基于DMM模型绘制了该变形条件下的热加工图,并建立了该钢的本构方程。利用Thermo-calc计算相图和热膨胀仪测量材料加热和冷却过程各相转变温度制定热处理工艺;利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪和冲击、拉伸试验机对13Cr4Ni钢淬火和回火后的显微组织和力学性能进行研究。得出如下结论:(1)13Cr4Ni钢在热变形时,流变应力随着变形温度或变形速率升高而增大;变形温度过低时,显微组织为长条状组织,而变形温度过高且变形速率慢时,形成粗大等轴组织,这两种组织状态都不利于材料强韧性。结合应力-应变曲线、热变形组织和热加工图分析得出材料在变形温度为1100~1150℃,应变速率为0.003~1之间变形可获得细小等轴组织。基于Arrhenius双曲正弦方程计算得13Cr4Ni钢热变形本构方程,计算结果与实验数据高度吻合,说明该本构方程具有较高可信度。(2)13Cr4Ni钢淬火工艺研究。首先考察了淬火冷却方式对材料强度和塑性影响,发现油淬冷却方式获得较好的综合力学性能。研究了950~1020℃之间淬火温度对材料组织和力学性能影响,发现随着淬火温度升高奥氏体晶粒逐渐长大并粗化,材料强度先升高而后下降,淬火后组织为100%的板条马氏体。(3)13Cr4Ni钢一次回火工艺研究。随着一次回火温度升高,逆变奥氏体含量先增加而后减少,620℃回火后逆变奥氏体量达到最高,为8.3%。而进一步提高回火温度至660℃,逆变奥氏体含量几乎为零。EBSD表征结果表明660℃回火冷却过程中逆变奥氏体失稳转变成了新生马氏体。力学测试结果表明,随着逆变奥氏体含量增加,材料塑性和冲击功均显著提高而强度明显降低。(4)13Cr4Ni钢二次回火工艺研究。在一次回火基础上添加600℃或620℃二次回火可大幅增加钢中逆变奥氏体含量。其中640℃+600℃二次回火后逆变奥氏体含量最高,为20.3%。其中,大块状逆变奥氏体主要分布于三叉界,长条状或短棒状逆变奥氏体则弥散分布于基体。二次回火显著提高了13Cr4Ni钢中逆变奥氏体含量,导致其韧性显著提高而强度明显降低。