本文将高通量材料模拟计算方法和实验研究相结合,研究了一种用于发动机关键部件的马氏体耐热不锈钢。通过开展650℃长期时效对试验钢组织和性能影响的试验研究,分析了试验钢中析出相对组织、性能的影响规律和析出相长大规律,结合基于Thermo-Calc的热力学计算,以及基于DICTRA的析出相长大动力学模拟,进行成分优化研究,并将成分优化前后的析出相粗化模拟结果作了对比研究。得到如下结果:试验钢热处理后的组织为板条马氏体,含有少量的δ铁素体。时效处理后,发生组织回复、马氏体板条宽化和析出相的粗化。热处理后组织中的析出相主要为M₂₃C₆和MX,时效过程中析出Laves相。热力学计算得到的析出相类型与试验钢XRD定性结果一致,且热力学计算结果表明时效过程中σ相的析出与Cr元素在晶界上的偏聚有关。主要受析出相粗化和组织回复共同作用的影响,材料的强度和硬度在500h时效时间内下降较快;延长时效时间,由于硬脆的σ相的大量析出,强度和硬度的缓慢下降。主要受Laves相粗化和链状分布的M₂₃C₆的影响,冲击吸收能量在1000h时效时间内呈下降趋势;延长时效时间,组织回复引起软化的作用增强,冲击吸收能量又略有升高。塑性在500h时效时间内基本不变;延长时效时间,发生组织回复,塑性呈缓慢上升的趋势。基于DICTRA动力学计算得到的M₂₃C₆、Laves相粗化模拟结果与实验结果吻合度较高。M₂₃C₆、Laves相粗化速率随温度升高而增大;M₂₃C₆在时效过程中的长大速度低于回火过程,在时效初期形核析出的M₂₃C₆促进了Laves相的长大。结合试验分析和模拟计算分析,通过降低钢中C、Cr和N含量,并以W代部分Mo、V代部分Nb和Co代部分Ni,进行成分优化。在热力学平衡状态下,成分优化后,钢中M₂₃C₆析出量减少7.4%,Laves相析出量减少26.0%,Z相析出量减少22.0%,MX相有微量析出;M₂₃C₆、Laves和Z相析出温度均下降,MX析出温度范围扩大;钢中σ相的析出倾向降低。钢中M₂₃C₆的颗粒尺寸几乎没有变化,其平衡体积分数和数量密度明显降低;Laves相的数量密度略降低,其颗粒尺寸和体积分数明显降低;M₂₃C₆、Laves相的粗化速率均降低。实现了钢中析出相长大过程的优化控制,表明成分优化结果可靠。