梯度结构金属材料可以打破原本耦合在一起的材料性能,允许其中一个或多个性能的改善,为材料的强度和韧性同时提升提供了结构设计新方向。本文以低碳Ti-Nb微合金钢为研究对象,通过在轧制过程中同步引入水冷,充分利用变形、析出和相变三者之间的相互作用,制备出具有梯度结构的高强度高韧性低碳微合金钢板。研究了实验钢的连续冷却相变行为及在轧制过程中同步插入水冷时的终冷温度、耦合变形及往复插入冷却和变形对实验钢组织细化的影响规律,在此基础上,通过变形、相变和析出之间的控制,制备具有梯度结构的钢板,并分析了获得钢板的强韧性能。文章的主要研究内容和结论如下:（1）研究了实验钢中的奥氏体在不同冷却速度下的连续冷却转变行为,随着冷却速度的增加,实验钢中的奥氏体开始向铁素体转变的温度降低;在奥氏体未再结晶区进行变形之后,奥氏体开始向铁素体转变的温度高于未发生变形的奥氏体向铁素体转变的温度;在此基础上,绘制出实验钢的动态和静态CCT曲线,为实验钢的相变控制提供基础。（2）模拟分析了实验钢在再结晶区间插入冷却、变形及返温行为对组织细化的影响规律,结果表明,在实验钢再结晶区间插入冷却时的铁素体晶粒尺寸要小于无冷却时的铁素体晶粒,且插入水冷的冷却温度越低,得到的铁素体晶粒尺寸越细小。在650℃进行压缩时,由于压缩过程中发生了动态再结晶,导致组织中出现了明显的尺寸为1～3μm的超细小铁素体晶粒。在压缩后的返温过程中,返温至900℃时得到的组织最为细小。（3）研究了铁素体区间变形、变形后返温以及多次往复变形和返温对实验钢相变、析出和组织细化的影响规律。结果表明,铁素体区间的动态变形和返温发生的往复相变可以细化奥氏体晶粒,进一步细化后续冷却后的铁素体晶粒。随着动态往复相变次数的增加,铁素体晶粒可以由7.1μm细化至3.3 μm,贝氏体体积分数由最初的71%降低至基本消失。大角度晶界比例随之增加,由32.9%增加至64.2%。析出粒子体积分数逐渐增大,由0.7%增加至2.1%;同时,析出粒子的直径由3.6 nm增加至7.1 nm。各种强化方式对屈服强度的贡献量也有所变化。当循环次数由一次增加至四次时,细晶强化增量由225 MPa增加至330 MPa;析出强化增量由184 MPa增加至361 MPa;位错强化增量也随之增加。（4）在实验室进行了梯度结构钢板的制备,在粗轧阶段后插入水冷使其表面区域冷却至铁素体相区,随后返温和变形,制备出梯度结构钢板。钢板表面超细晶层厚度约为1.5 mm,晶粒尺寸约为3.1μm,组织为拉长状铁素体和等轴铁素体,在铁素体晶界周围分布尺寸约为100～200nm的细小渗碳体,对铁素体晶界起到了钉扎作用,阻碍了铁素体晶粒的长大。梯度层厚度约为2.5 mm,梯度层组织为尺寸不均匀的等轴铁素体和珠光体。中心粗晶区的组织为铁素体和珠光体,平均晶粒尺寸为7.2 μm。梯度结构形成的原因主要是在粗轧阶段后水冷过程中钢板厚度方向上的温度梯度,使表层发生温变形的同时心部仍处于热变形状态,表层组织发生了动态再结晶,起到细化晶粒的作用。（5）对所制备的梯度结构钢板性能进行了分析,发现梯度结构钢板表层位置的屈服强度比梯度层位置和心部位置分别高了 31 MPa和29 MPa。表层位置、梯度层位置和心部位置的断后伸长率分别为17.1%、22.2%、20.5%,梯度层具有良好的塑性,相对于表层和心部,断后伸长率分别提高了 29.8%和8.3%。由于梯度这一特殊结构,使粗晶和细晶交界处产生了几何必须位错,使变形更协调,提高了塑性。表层位置在-60～20℃温度之间的冲击吸收功均高于其他位置的冲击吸收功。梯度层位置的冲击吸收功低于实验钢板的表层位置,但是略高于实验钢板的心部位置和对比钢板的冲击吸收功。实验钢板和对比钢板的冲击断裂方式均为韧性断裂,存在明显的韧窝。韧性的提升主要是由晶粒的细化导致的。