金属结构材料焊接接头服役过程引发的再热裂纹失效是影响高温结构件服役寿命和安全性的关键问题,比如321和347型的稳定化奥氏体不锈钢和CrMo铁素体耐热钢等。再热裂纹通常发生在焊后热处理或者高温长期服役期间。由于焊接热循环期间加热和冷却过程的冶金反应,热影响区普遍被认为具有更高的再热裂纹敏感性,更容易产生再热裂纹失效,因此目前关于再热裂纹方面的大量研究都主要集中于热影响区产生的再热裂纹。对比之下,焊缝金属再热裂纹方面的研究相对较少,但是焊缝金属仍具有产生再热裂纹的条件,并且也有相关案例报道了由于焊缝金属区域处的再热裂纹失效问题而引起合金服役性能的损失。Super304H奥氏体不锈钢目前被广泛的应用于超超临界火电机组锅炉中的过热器与再热器管道,而管道焊接接头在高温长期服役条件下的再热裂纹失效问题对于火电机组几十年的服役周期需求具有较大的不确定性。本文选择了铌稳定化的Super304H奥氏体不锈钢用于研究焊缝金属在高温长期服役条件下的再热裂纹问题。试验过程使用了目前较为先进的预压缩紧凑拉伸试样的方法并成功的定量化的研究了焊缝金属的再热裂纹敏感性。通过调控焊材中的铌含量,系统的研究了含铌稳定化奥氏体不锈钢焊缝金属和不含铌非稳定化奥氏体不锈钢焊缝金属在高温长期服役条件下的微观组织演变、残余应力、温度、铌元素对再热裂纹敏感性的影响。论文的主要研究内容以及结论包括:分析了钨极氩弧焊制备的无铌和含铌的Super304H焊缝金属在焊态和高温时效态下的一次相、二次纳米析出相的分布和变化,并根据显微硬度随时间的变化关系探讨了析出相演变引起的强度变化以及铌对焊缝金属强度的影响。研究结果表明,焊缝金属中铌元素的添加改变了焊态下枝晶间和晶界处的析出相分布,含铌焊缝金属中晶界曲化明显,晶粒尺寸较小。在高温时效过程中,焊缝金属中铌元素抑制了时效初期M（Fe、Cr）23C6相的析出,并改变了枝晶间M23C6相的析出行为。随着时效时间增加,焊缝金属中的纳米级M23C6相、纳米级Nb（C,N）相和纳米级富铜相的尺寸均增加。纳米级富铜相对焊缝金属的强度起着主要作用。铌元素主要通过细化晶粒、固溶强化以及纳米级Nb（C,N）相的沉淀强化作用提高焊缝金属强度,但是在长期时效条件下,铌元素的添加对焊缝金属强度的改善有限。阐述了短时和长时时效条件下Super304H焊缝金属再热裂纹产生机制,构建了晶界M23C6相影响下的再热裂纹开裂模型。无铌焊缝金属在时效初期析出的纳米富铜相颗粒和纳米级M23C6相具有晶内强化作用,促使应变集中于晶界上M23C6位置而诱发开裂。时效后期晶界上粗化的长条状M23C6相则进一步加剧了裂纹扩展。含铌焊缝金属时效初期再热裂纹的产生主要归结于晶内纳米富铜相颗粒的晶内强化以及晶界处Nb（C,N）相的晶界弱化作用,在时效后期晶界上析出的大尺寸M23C6相会严重弱化晶界,促使裂纹产生。45°取向差晶界具有最高的界面能量,M23C6相易形核析出并长大,产生再热裂纹的概率高。M23C6相与基体非共格一侧界面处具有更明显的贫铬区、高的界面能和应变集中,从而更容易形成孔洞导致裂纹产生。探讨了残余应力和试验温度对Super304H焊缝金属再热裂纹敏感性的影响。研究结果表明,高残余应力和高的试验温度增加了焊缝金属的再热裂纹敏感性。由于高残余应力的焊缝金属具有更高程度的裂纹损伤,因此具有更低的高温抗拉强度。靠近U型口处的区域具有更高的残余应力和更高的位错密度,加速了晶内小颗粒相在高温下的析出并形成晶内强化,从而增加焊缝金属的再热裂纹敏感性。无铌焊缝金属对再热裂纹十分敏感,在极短的时间内就能产生裂纹,并释放大部分残余应力,此时残余应力对晶界析出相影响不大。含铌焊缝金属中的高残余应力则会加速晶间M23C6相的析出,加剧晶界弱化,使焊缝金属再热裂纹敏感性增加。温度影响焊缝金属再热裂纹敏感性的机理为:在650℃试验温度下,时效初期晶界析出相的快速长大促使晶界强度下降更快,加上此温度下具有更大应力松弛速率,局部晶界的残余应力可以在更短的时间达到晶界强度之上,促使焊缝金属中的裂纹先于600℃试验温度产生。揭示了铌元素对Super304H焊缝金属再热裂纹敏感性的影响机制。研究结果表明,采用数字图像相关法在同等塑性应变的条件下发现铌元素的添加显著降低了焊缝金属的再热裂纹敏感性。导致该现象的主要原因在于:一是含铌焊缝金属具有更为均匀的晶内和晶界应变分布,二是含铌焊缝金属具有更大的晶界面积减少了单位长度晶界的应变集中程度,三是含铌焊缝金属的弯曲晶界形貌降低了垂直于晶界的拉伸应力分量和晶界析出相处的应变集中程度。此外,在0-1.5%研究范围的铌含量下,铌含量越高,焊缝金属越不容易产生再热裂纹。