面对日益增长的能源与环境需求,轻量化是汽车工业发展的重要方向,新型轻质材料如铝、镁、复合材料等的应用对传统钢铁材料产生了巨大挑战。面对这种形势,钢铁材料也在逐步向满足轻量化需求的方向发展。近年来,人们提出了一种新的方法,通过添加Al等轻质元素来实现钢密度的降低,同时能够保持材料优异的力学性能,这类新型轻量化钢铁材料被称为低密度钢。低密度钢主要以Fe-Mn-Al-C系合金为主,合金微观组织多样,主要以铁素体或奥氏体,抑或两相混合为基体。铁素体基低密度钢(也称δ-TRIP钢)因其具有中低锰含量、良好的制造性和优异的力学性能引起了广泛的关注。铁素体基低密度钢由于Al元素的加入促进了铁素体稳定性,使其在凝固过程中液相析出的δ铁素体不能完全转变而保留至室温,在传统凝固的缓慢冷却条件下,该类合金铸态组织中常存在大量的粗大δ铁素体枝晶,同时较高的合金元素在缓慢的冷却以及粗大枝晶条件下很容易形成偏析。粗大的δ铁素体枝晶在后续热加工中无法消除,并会形成严重的带状组织,对材料的力学性能产生不利影响。喷射成形作为一种快速凝固技术,在消除枝晶、细化组织和抑制偏析方面具有独特优势,因此本文采用喷射成形工艺来制备铁素体基低密度钢;以克服该材料中的缺陷和提升合金质量。针对喷射成形过程材料雾化凝固和沉积行为及工艺参数的影响规律、喷射制备的δ-TRIP钢微观组织和力学性能,开展了如下研究工作:为厘清喷射成形过程液滴的热力学与动力学行为,以离散相模型为基础,建立了金属液滴飞行过程的凝固模型,包含了过冷、再辉以及偏析凝固等过程,并基于格子Boltzmann法(LBM)研究了液滴撞击平面的动力学行为。研究结果表明,不同尺寸的液滴在飞行过程中的冷却凝固行为存在巨大差异,液滴冷速与其颗粒尺寸呈幂函数关系,随着液滴尺寸增大,液滴冷速快速降低。对雾化区液滴的平均固相率(雾化锥平均固相率)统计分析显示,雾化锥平均固相率随着沉积距离呈近似对数增加,雾化压力增大,雾化锥平均固相率增高;液滴中值直径和分布指数的增加,均会降低雾化锥平均固相率。通过对雾化粉末二次枝晶臂的测量,建立了评估超声气雾化喷嘴(USGA)的冷速模型。采用LBM模型,分别对二维和三维条件下的液滴撞击进行了仿真研究,模拟准确地再现了液滴撞击过程,随着液滴撞击速度增大,液滴铺展半径近线性增加后逐渐趋近于一定的极限值,超过此速度阈值液滴即进入破碎阶段。孔隙是喷射成形的主要缺陷,目前,孔隙预测是喷射成形模拟的难点,且能够显示沉积坯内孔隙数量和分布的预测模型非常少见。本文基于颗粒堆积和凝固补缩,以及气孔生长的扩散理论,建立了沉积过程的孔隙预测模型,并将其耦合进沉积坯的生长和传热模型中,实现了沉积坯孔隙含量和分布的预测。沉积坯的生长和传热模拟结果显示沉积坯的生长形貌由喷射参数综合决定;沉积坯内温度分布存在区域性特点,沉积坯温度受喷射工艺条件的影响,沉积温度和质量流率的增加,会导致沉积坯温度的升高,基板预热导致沉积坯温度增加同时降低了底部温度梯度。通过实验分析了沉积坯内部的孔隙含量和分布特征,结果显示孔隙预测结果与实验吻合较好,验证了模型的有效性。同时采用建立的孔隙预测模型,分析了液滴撞击温度和基板预热对沉积坯内孔隙分布的影响,沉积温度的增加减少了间隙性气孔的含量,但增加了析出性气孔的数量,基板预热降低了沉积坯底部的孔隙率,因此可以有效改善底部沉积质量,对不同工艺的预测结果表明了模型的良好适用性。基于优化后的喷射成形工艺参数,制备了含铝5.8wt.%的铁素体基低密度钢,与传统铸造的相同成分的材料对比,喷射成形材料的微观组织由细小等轴的δ铁素体晶粒组成,消除了原铸态组织中粗大的δ铁素体枝晶;基体成分分布均匀,极大的抑制了Mn、Al等合金元素的偏析;合金塑性明显提升,强塑积达到35GPa%。连续冷却转变实验表明该合金仅在很低的冷速下才形成珠光体,而更易形成马氏体组织。热轧退火后铁素体沿轧向伸长,其间分布为碳化物带,碳化物多为短杆和颗粒形态,冷轧后细小的铁素体条带呈有序的带状分布,且层间距较小。热、冷轧板拉伸试样的断裂主要发生在铁素体与碳化物条带界面处,以及碳化物带内部,铁素体晶界上的长条碳化物容易引发裂纹的产生。最终冷轧退火后,喷射成形材料仍旧保持着较高的成分均匀度。由于微观组织的细化和均匀的成分,喷射成形冷轧板具有更高的表面质量。实验观察和晶体塑性模拟表明,细化的铁素体基体使合金在变形过程中应力应变分布更加均匀,微区变形更加协调,并且促使奥氏体相变弥散、均匀,这是喷射成形材料残余奥氏体稳定性增加以及塑性提升的主要原因。喷射成形铁素体低密度钢板退火时,随着退火温度的升高残余奥氏体相发生一定程度的粗化,且残余奥氏体含量逐步增加。喷射成形在800℃退火时,表现出较高的强塑积,且表现出更高可持续性的加工硬化,随着退火温度升高,材料强度增加,塑性降低。合金表现出多阶段性的硬化特征,其强化机制以TRIP效应为主,TWIP效应为辅,同时铁素体和奥氏体中的位错运动,以及存在的退火孪晶在变形时起到了一定的强化效果。