无碳化物贝氏体钢具有优异的综合性能,其开发和研究具有重要的应用意义。本文以中碳、高碳无碳化物贝氏体钢为研究对象,利用微合金化处理引入第二相,研究第二相析出对无碳化物贝氏体钢相变机理、微观组织以及常规力学性能和疲劳性能的影响,以达到加速贝氏体相变、提高贝氏体钢性能的目的。创新性地采用原位透射手段,观察中碳无碳化物贝氏体钢相变过程,研究贝氏体相变形核及长大过程中微观组织演变机制。通过调控热处理工艺,获取不同工艺参数下的贝氏体相变动力学、组织及性能。利用微量N和Al、微量N和V对无碳化物贝氏体钢进行微合金化处理,优化热处理工艺诱导析出与贝氏体铁素体具有高共格度的AlN和VN第二相,为贝氏体铁素体形核提供有效形核点,显著缩短贝氏体相变孕育期,加速贝氏体相变。同时,形核点的增加导致贝氏体组织得到细化,试验钢的强度和硬度提高。利用高温共聚焦显微镜原位观察AlN析出对中碳无碳化物贝氏体钢相变的影响,结果表明,AlN可作为贝氏体铁素体的有效形核点,不同形核位置处贝氏体铁素体的长大速率不同,其中晶粒内部形核的贝氏体长大速率较高;随着等温时间的增加,AlN可诱发更多的二次形核,相界面处的形核位置逐渐取代晶界位置占据主导。随着回火温度的升高,无碳化物高碳钢的贝氏体铁素体板条厚度增加,残余奥氏体的体积分数降低。160°C低温回火后高碳钢的综合力学性能最佳。不同回火温度下,高碳贝氏体钢的循环变形行为略有不同。160°C回火后高碳钢具有较高的循环硬化能力,且循环硬化后无明显的循环软化行为。在循环变形过程中,高碳贝氏体钢中残余奥氏体变形诱发生成马氏体,同时残余奥氏体中有形变孪晶出现。通过不同变形量的形变热处理工艺对中碳无碳化物贝氏体钢相变和微观组织影响试验,结果表明,对过冷奥氏体进行300°C低温形变热处理可使贝氏体相变孕育期大幅度缩短,显著促进贝氏体相变,等温30 s即可完成大部分的贝氏体转变。贝氏体的转变程度与形变热处理的变形量有关。形变热处理后贝氏体铁素体板条细化,且短小的板条数量增加。采用球差环境透射电子显微镜原位观察中碳无碳化物贝氏体钢相变过程,精准系统地观察纳米尺度贝氏体板条的形核及长大演变过程。结果表明,贝氏体长大过程包括贝氏体亚单元及超细亚单元重复形核及长大,贝氏体相变单元多为四边形长条;贝氏体形核及长大过程中存在位错,位错在相变过程中伴随贝氏体铁素体相界面移动。受测试试样厚度与晶粒直径的比值影响,相变仪、高温共聚焦显微镜和环境球差透射电镜3种方法测试贝氏体相变动力学结果存在差异。