核电封头锻件因其尺寸大(直径为2990mm),在锻造和热处理过程中容易形成晶粒粗大和组织不均匀的现象,为了消除以上组织缺陷,常采用锻后正火的热处理工艺方法。为此,本文以SA508-3核电封头为研究对象,采用数值模拟和物理试验相结合的方法,对核电封头正火过程中的温度场、组织场和应力场进行了研究与分析,并对正火加热工艺参数进行了优化,为实现核电封头的组织细化和均匀化奠定了理论基础。主要研究内容及结果如下:通过物理实验研究了加热温度、保温时间、加热速度对SA508-3钢粗大非平衡组织重新加热过程中晶核的形成与长大行为的影响。发现在900℃以下时,随着加热温度升高,奥氏体平均晶粒尺寸增长缓慢,高于900℃时,晶粒长大速度急剧上升;奥氏体平均晶粒尺寸随保温时间的增加在不断增加,正火温度应为890℃;在高温区(Ac3以上)温度加热保温时,保温1h以内,晶粒尺寸增长明显,当保温时间继续延长,晶粒尺寸则趋于不变;在高温区慢速(≦500℃/h)加热时,奥氏体的形核延后、形核量少,奥氏体晶粒内部不再产生新的奥氏体晶核,发生组织遗传,所以在制定封头相关热处理工艺参数时,应充分考虑加热速度的影响。以传热学、相变动力学及弹塑性力学等为基础,建立了SA508-3钢热处理数学模型,并采用有限元软件DEFORM对核电封头正火过程中温度场、应力场及组织场进行数值模拟,结果显示加热过程中内外温差较大,产生的应力也大,且分布不均,因此对加热参数进行了优化。优化后工艺为:先将封头从室温下以50℃/h的速度升温至450℃并保温4h;再以40℃/h的速度升温至650℃并保温6h;最终以20℃/h的速度升温至890℃并保温9h;空冷至室温。通过数值模拟与物理试验相结合的方法对参数优化后的工艺分析,发现内外温差明显缩小,应力减小且分布均匀;封头内外开始奥氏体化时间间隔缩短且加热终了时已全部奥氏体化;正火后的封头各位置的晶粒度级别均在8级左右,整体奥氏体晶粒尺寸细小均匀;空冷后封头各位置的组织基体为粒状贝氏体组织,且分布均匀。工艺参数优化合理。