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本文以304和316不锈钢为研究对象，探讨了深冷处理提高奥氏体不锈钢的服役性能及机理，重点研究了深冷处理前后奥氏体不锈钢微观组织变化和深冷处理过程中产生的瞬态温度场及应力场，以及深冷处理工艺对奥氏体不锈钢焊接残余应力、疲劳性能和晶间腐蚀敏感性的影响，建立了深冷处理的工艺、组织和性能之间的内在关系。主要研究工作和结论如下：
(1)对不同初始状态的304不锈钢液氮温度下的深冷处理结果表明升降温速率对马氏体转变的影响取决于深冷处理前的材料状态。形变导致位错密度增加的材料深冷处理后马氏体转变量的增加取决于升降温速率，而预先存在的形变马氏体的材料升降温速率对马氏体的转变量影响不大。从而提出了奥氏体不锈钢急冷深冷处理新工艺，该工艺能够显著抑制马氏体转变，并伴随着组织细化和少量的塑性变形，具有更为优越的服役性能。不同状态的304不锈钢经深冷处理后都出现马氏体转变、塑性变形和组织细化等现象，随着冷变形程度的增加，马氏体转变量越多，同时组织细化也越明显。
(2)亚稳态不锈钢的深冷处理过程中急冷急热引起的热应力和马氏体转变引起的相变应力同时存在，热应力和相变应力对焊接残余应力的消除都起作用。316不锈钢管急冷急热的深冷处理前后焊接残余应力测试结果表明焊接残余应力显著降低但并不存在马氏体相变。对急冷急热工艺的温度场和应力场有限元模拟结果表明该工艺可产生很大的瞬态应力场，并和残余应力叠加产生塑性屈服。说明单独以热应力即可消除奥氏体不锈钢的焊接残余应力。
(3)建立了马氏体相变筒柱模型定性的分析了转变量较少情况下的奥氏体和马氏体的应力场，以及马氏体相变应力引起的塑性区大小。在理想条件下，1％的马氏体转变即可使不锈钢材料发生整体屈服；在较少马氏体转变的情况下，塑性区的大小可用下面公式表示：Rcr()10.9r1(r1为发生马氏体相变的奥氏体半径)
(4)深冷处理对304不锈钢晶间腐蚀抗力的影响研究发现：深冷处理可显著提高不锈钢的晶间腐蚀抗力，其工艺顺序对对晶间腐蚀抗力存在重要的影响。深冷处理和晶界工程方法都可以明显提高不锈钢晶间腐蚀抗力，但两者提高的机理不同。前者通过塑性变形、细化组织和马氏体转变等达到改变晶界性质的目的，而后者通过改变预塑性变形在高温下生成退火孪晶来改变晶界性质从而提高晶间腐蚀抗力。
(5)研究了深冷处理工艺对拉伸性能和疲劳性能的影响。深冷处理对拉伸性能的影响与材料的初始状态密切相关。通过研究不同深冷处理工艺下的疲劳性能发现：两次深冷处理可明显改善疲劳寿命的分散性，室温下的放置时间对焊缝的疲劳性能影响巨大，缓慢的降温有利于等温马氏体转变，对提高疲劳寿命有利。本文提出的优化工艺可以使焊接接头的疲劳寿命提高2倍以上。
(6)对不同状态下不锈钢的疲劳性能及其提高机理进行了系统研究，并首次测定了深冷处理前后疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值。结果表明深冷处理对疲劳裂纹扩展的第二阶段影响不大，但可以显著提高疲劳裂纹扩展的门槛值，其幅度可达50％。