为了节省能源,减少碳排放,保护生态环境,提高安全性,综合改善强度、韧性、塑性匹配是高强度低合金钢的重要研究方向。设计并发展具有多相(Multi-phase)组织、亚稳(Meta-stable)奥氏体和多尺度(Multi-scale)纳米析出---“M3”的低合金钢可进一步发挥钢铁材料在国民经济建设中的重要作用。在低碳低合金钢中如何调制出具有逆转变奥氏体和纳米析出相共存的多相组织是本文研究的重点。纳米析出相可以提高钢材屈服强度,而逆转变奥氏体在受力或形变后会发生马氏体相变可以增加钢材塑性。两者结合能够获得强塑性匹配优异的钢材。临界热处理方法可以在低碳低合金体系中获得具有临界铁素体+回火马氏体+逆转变奥氏体的多相组织。逆转变奥氏体呈条状分布在板条界上。控制临界回火时间即可获得不同体积分数的逆转变奥氏体。便于调节钢材的强塑性匹配程度。实验钢的屈服强度均超过700 MPa。同时,兼顾高的塑性,实验钢的均匀延伸率达到16.4-16.9%,总延伸率高达29.5-31%。尤其是在短时间临界回火处理后,具有纳米B2团簇和纳米逆转变奥氏体组织的实验钢具有优异的强塑性匹配。屈服强度达到984 MPa,抗拉强度达到1013 MPa,均匀延伸率为9.56%,总延伸率为22.5%。详细研究了逆转变奥氏体的形成过程和添加的溶质元素在热处理工艺中的状态。实验钢含C、Mn、Ni、Cu、Ni、Mo、Al、Si这八种元素。合金体系非常复杂。①C起到了促近逆转变奥氏体形核的作用,Mn、Ni、Cu使逆转变奥氏体尺寸增大。C在两步临界热处理过程中均呈现出多样性,偏聚、配分、析出三种状态共存且相互竞争。C首先被Nb元素夺走形成Nb的碳化物。C与Mo在M/α界面处形成Mo-C偏聚层(第一步临界退火),在γ/α界面处形成纳米Mo-C团簇、MoC析出相(第二步临界回火)。余下的C在逆转变奥氏体与临界铁素/新鲜马氏体之间进行配分。②Mo在两步临界热处理中均呈现出多样性,偏聚、配分、析出三种状态共存且相互竞争。Mo首先参与到Nb的析出过程,形成Nb-Mo复合析出相。随后,同时进行配分和偏聚两个过程。配分的结果使BCC Fe中Mo的平均含量高于FCC Fe中Mo的平均含量。Mo在M/α界面处偏聚形成Mo-C偏聚层,在γ/α界面处形成纳米Mo-C团簇、纳米Mo团簇、MoC析出相。③Cu在第一步临界退火过程中只存在配分状态,这极大的提高了逆转变奥氏体的体积分数。在第二步临界回火过程中,Cu的析出和配分两种状态共存且相互竞争。Cu的析出状态强于配分状态,大量的Cu元素从基体中不断析出形成析出相。Cu析出相不仅存在于临界铁素体中,逆转变奥氏体中也发现了 Cu析出相。④Mn、Ni、Si元素在两步临界热处理过程中以配分状态为主。Mn、Ni元素持续向逆转变奥氏体扩散并富集;而Si的配分在第一步临界退火就已经完成。⑤Nb只有单一的一种状态,与C、Mo形成(NbxMo1-x)C复合析出相。详细研究了 Cu析出相在临界回火过程中的演化行为。在680℃下临界回火5 min时,α-Fe基体中得到Cu纳米有序团簇。临界回火15至30 min基体中出现9R Cu。随着临界回火时间的增加,9R Cu中的孪晶变体数量从2个增加到7个,并且(1 1-4)9R孪晶面从平直的表面发展到阶梯状表面甚至是弓形曲面。9R Cu 与 α-Fe 基体的取向关系为(1 1-4)9R//(0 11)α,[-1 1 0]9R//[1-1 1]α。临界回火60min时,基体中出现退孪晶9RCu。它由两个9R部分和一个可移动的(1 1-4)9R面构成。两个部分之间失去孪晶关系。退孪晶9R Cu中较宽一侧的Cu晶体与α-Fe基体的取向关系为(1 1-4)9R//(0 1 1)α,[-1 0 0]9R//[1-1 1]α,而较窄一侧的Cu晶体与基体之间没有任何取向关系。临界回火180min后得到FCC Cu。它由两部分FCC结构的Cu晶体和一个微孪晶区域构成。椭圆形FCC Cu的生长方向与微孪晶平面平行。FCC Cu与α-Fe基体的取向关系为(1-1 1)FCC//(0 1 1)α,[1 1 0]FCC//[1-1 1]α。在 680℃下临界回火不同时间Cu析出相的晶体结构演变序列为:富Cu的纳米有序团簇(B2 FeCu和BCC Cu)→9R Cu(单晶、双孪晶、多孪晶)→退孪晶9R Cu→过渡相(9R+FCC的复杂结构)→FCCCu。