S31042钢作为25Cr-20Ni型奥氏体耐热钢具有优异的抗氧化和抗腐蚀性能,通过添加组元Nb和N获得良好的高温持久强度,是超超临界火电机组过热器和再热器管道的关键材料。S31042钢的高温性能与组织中Z型、MX型和M₂₃C₆型等析出相关系密切,然而目前对于Z相的析出机制尚不明确,对不同形态M₂₃C₆相强化机制的认识还不完善。本文采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪等表征方法和显微硬度、拉伸、蠕变等性能测试,系统地研究S31042钢组织中各析出相在700℃条件下的演化行为、热稳定性和强化机制,阐明析出相演变与高温性能变化的关系,并结合变形和热处理探究提高奥氏体耐热钢热强性的组织控制方法,为应用于700℃先进超超临界机组的新型高温金属结构材料的改进和开发工作奠定基础。此外,采用线性摩擦焊方法摸索S31042钢与GH4169合金的异质连接工艺,为奥氏体耐热钢和镍基高温合金在先进超超临界机组中的连接应用提供指导。700℃时效态S31042钢主要的析出相有Z相、MX相、M₆C相和M₂₃C₆相,其中Z相的尺寸最小、含量最多且热稳定性最佳,通过析出强化作用使S31042钢具有良好的综合力学性能。时效过程Z相优先沿奥氏体（002）晶面析出,并与奥氏体保持共格对应关系,随后沿不同方向排列的直线型Z相互相交织呈网格状。此外,Z相能够依附先析出的MX和M₆C相形核,并消耗MX和M₆C相获取合金元素满足其长大的需要。时效初期,M₂₃C₆相迅速在晶界上析出并长大连成链状,随着时效时间的延长,链状M₂₃C₆相的宽度不断增加。时效后期,部分链状M₂₃C₆相发生球化呈断续颗粒状分布。时效态S31042钢组织中M₂₃C₆相的含量不及Z相,由于其主要分布在晶界位置,对S31042钢的力学性能产生至关重要的影响,链状M₂₃C₆相在提高材料强度的同时严重恶化材料的塑性。S31042钢经冷变形后形成大量形变孪晶,冷变形能够促进微米级Z相的析出,此外冷变形导致棒状MX相发生破碎。通过冷变形的加工硬化作用和颗粒状M₂₃C₆相的析出强化作用,使80%变形量样品在700℃下兼具优异的强度和塑性。变形样品在700℃时效时,M₂₃C₆相优先沿晶界析出,而后沿孪晶界形成,M₂₃C₆相的数量随变形程度的增大而增多。变形样品在700℃时效过程析出σ相的数量与其变形程度成正比,σ相的析出机制为:依附于先析出的M₂₃C₆相形核,并通过消耗M₂₃C₆相长大。经1050℃时效10 h处理后,S31042钢组织中析出大量尺寸在100 nm左右的Z相,降低固溶态S31042钢中合金元素的过饱和度,减小M₂₃C₆相在700℃蠕变时的形核驱动力,将晶界上M₂₃C₆相的形态由连续的链状调控为断续的短棒状,改善材料的持久塑性。在高应力蠕变实验中,短棒状的M₂₃C₆相能够在不影响材料塑性的前提下,增大晶界滑动的阻力,提高材料的蠕变寿命。然而在低应力条件下,链状M₂₃C₆相能够阻碍晶界的滑动,束缚晶粒的变形,其强化作用大于棒状M₂₃C₆相。采用线性摩擦焊技术在25 Hz/2 mm/80 MPa/120 MPa参数下获得无孔无裂纹的S31042钢接头,表明选用的焊接参数是合理的。通过线性摩擦焊接方法探索S31042钢和GH4169镍基合金异质连接的可行性,在25 Hz/2 mm/100 MPa/150MPa的工艺参数下获得致密的冶金结合接头,焊接时焊缝区发生动态再结晶,同时析出弥散分布的沉淀相颗粒,细晶强化和析出强化的综合作用使异质接头焊缝区的显微硬度和抗拉强度均高于S31042钢母材。