奥氏体不锈钢制深冷压力容器(以下简称“深冷容器”)是液氧、液氮、LNG等冷冻液化气体储存和运输的主要工具。随着工业气体和能源气体需求量增加,深冷容器得到长足发展。在低温环境中,受温度和马氏体相变的协同影响,奥氏体不锈钢强度显著提升。然而,在设计深冷容器时,国家标准GB/T150-2011和GB/T18442-2011等规定,采用奥氏体不锈钢在室温下的力学性能进行深冷容器设计,未充分利用奥氏体不锈钢的低温力学性能,从而造成材料性能的过度冗余和容器增重。从奥氏体不锈钢在低温环境下实际力学性能出发,对深冷容器进行设计,无疑更加合理。基于奥氏体不锈钢低温力学性能的设计方法,可充分利用奥氏体不锈钢的低温力学性能,实现深冷容器的轻量化设计。在国家重点研发计划(项目编号为2016YFC0801500和2016YFC0801905)和中央高校基本科研专项基金(项目编号为2018FZA4013)的支持下,本文以国产奥氏体不锈钢S30408为主要研究对象,在其低温力学性能、本构模型建立方法以及在深冷容器弹-塑性分析设计中的应用等方面展开研究,主要研究内容和结论如下:(1)通过77～293K温度区间内系统性的拉伸试验和冲击试验,获得了奥氏体不锈钢S30408母材和焊接接头在不同条件(温度、预变形和应变速率)下的低温力学性能变化规律。从293K到77K,S30408的屈服强度和抗拉强度分别平均增加64.1%和125.6%,呈现明显的低温强化效应。在低温冲击断裂中,阻止裂纹扩展能力的降低致使S30408低温冲击韧性变差,夏比冲击吸收能量和侧膨胀值分别降低43.2%和39.3%。9%室温预变形使S30408在低温下屈服强度显著提高28.9%,但对抗拉强度影响不明显。随应变速率由0.0003s~(-1)增加到0.3s~(-1),抗拉强度和断后伸长率分别平均降低15.2%和14.5%,在绝热温升影响下,呈现明显的软化效应。此外,铁素体含量在PAW GTAW和SAW两种焊接接头横截面处呈放射状分布,高铁素体含量导致焊接接头低温力学性能降低。(2)结合奥氏体不锈钢S30408低温变形中的马氏体相变规律,分析了马氏体相变对低温变形的影响,提出了可合理描述S30408低温变形的本构模型。低温变形中的高马氏体相变速率导致应变硬化率增加是应力-应变曲线形状由抛物线形转变为倒“S”形的原因。由于没有合理考虑马氏体相变对变形的影响,Ludwigson模型在低温下存在明显的局限性。基于Ludwigson模型拟合曲线和试验曲线之间的外力功差与马氏体含量之间的线性假设,在Ludwigson模型基础上提出了考虑马氏体相变影响的低温本构模型。对比典型室温本构模型和低温本构模型,新本构模型均表现出更小的拟合相对误差和更高的拟合精度。由于模型参数能够合理反映温度、预变形和应变速率等因素对低温力学性能的影响,新本构模型能够合理表征S30408在77～293K温度区间内的低温变形。(3)针对材料标准GB/T24511-2017和GB/T20878-2007中15种典型牌号奥氏体不锈钢,给出低温下应力-应变曲线的共性特征,而且新本构模型可用于描述15种典型牌号奥氏体不锈钢的低温变形。综合考虑化学成分差异等因素对不同牌号奥氏体不锈钢低温力学性能和马氏体相变的影响,基于351组不同牌号奥氏体不锈钢拉伸试验数据,建立了材料低温力学性能与本构模型参数之间的关联关系。在低温本构模型基础上,提出了深冷容器弹-塑性分析设计中奥氏体不锈钢在低温下应力-应变曲线的计算方法。以典型牌号材料S30408为例,基于该方法获得77～293K温度区间内的应力-应变曲线,能合理反映低温对材料力学性能的影响。