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Fe-Mn-Al-C系低温高锰钢因其低廉的成本和优异的塑韧性成为新一代先进清洁能源储运关键装备（如LNG船）和极地船舶理想的结构材料,在极端低温和海洋腐蚀性环境也能表现出极强的适应性。电弧焊作为大型船舶的核心制造技术,其热源对工件会产生不均匀的快速加热和冷却,易导致焊缝两侧母材形成组织和性能强烈不均匀的热影响区（HAZ）,恶化接头性能。然而,目前关于焊接热循环对低温高锰钢组织演变和析出行为等影响的研究较少,针对低温高锰钢焊接HAZ脆化机理及其调控机制也尚不明晰,严重制约了低温高锰钢的推广应用。为解决这一问题,本文结合焊接试验和热模拟试验系统研究了Fe-23Mn-0.45C-1.5Al-3.5Cr低温高锰钢焊接HAZ微观组织、残余应力和力学性能之间的关系,揭示了焊接HAZ的脆化机理,建立了HAZ原奥氏体晶粒长大数学模型,结合焊后热处理工艺改善了接头HAZ的低温韧性,为低温高锰钢焊接HAZ的性能调控和工业化应用提供了理论基础和实验依据。本文主要研究内容和结论如下:（1）采用307Si不锈钢焊丝对16 mm厚低温高锰钢开展熔化极惰性气体保护焊试验,并基于有限元方法对焊接残余应力进行模拟计算。通过对低温高锰钢焊接接头显微组织分析发现,沿熔合线到焊缝中心的组织分别为柱状、胞状和等轴晶奥氏体,晶粒择优取向。母材和HAZ均为块状奥氏体,热循环并未造成HAZ相变;随着到熔合线的距离增加,HAZ晶粒尺寸逐渐降低,形成了明显的粗晶区和细晶区。在距离熔合线0.5～2.5mm的HAZ,沿奥氏体晶界析出大量层片状碳化物;距离熔合线2.5～6 mm的HAZ,晶界析出相转变为少量的颗粒状;通过透射电镜确定层片状析出相为M7C3碳化物,且与奥氏体基体呈非共格关系。HAZ发生了明显的晶界碳元素偏聚。电子背散射衍射分析表明,HAZ内小角度晶界（LAGBs）占比、残余应变和位错密度随着到熔合线的距离增加而降低;反之,大角度晶界（HAGBs）和孪晶界占比逐渐升高。有限元计算发现接头残余应力以纵向残余应力为主,熔合线处的纵向残余拉应力最大,达到490 MPa;HAZ残余应力随着到熔合线距离的增加而逐渐减小,并最终转为压应力。（2）焊接接头各区域硬度和冲击试验结果表明,接头熔合线处显微硬度最高,约为246 HV0.5;HAZ的显微硬度随着到熔合线的距离增加逐渐降低。HAZ冲击韧性变化与显微硬度变化呈相反趋势,熔合线处冲击韧性最低,常温和-196℃时冲击吸收功仅为143 J和90 J;随着到熔合线的距离增加,HAZ各亚微区常温和低温冲击韧性均逐渐增加。因此,HAZ内晶粒尺寸、晶界碳化物析出行为、残余应力和晶界结构与硬度和冲击韧性的不均匀梯度变化具有高度的相关性。（3）在低温高锰钢焊接HAZ显微组织和力学性能不均匀梯度分布研究基础之上,采用Gleeble-3800热模拟试验机对低温高锰钢进行不同热循环峰值温度（Tp）和t8/5冷却时间的焊接热模拟试验,热模拟峰值温度为900℃、1050℃、1200℃和1320℃;模拟不同t8/5冷却时间时的峰值温度设为1320℃,t8/5冷却时间分别为30 s、60 s、120 s和180 s。随后对热模拟试样进行组织和低温韧性分析,指出低温高锰钢在冲击试验过程中的塑性变形机制为孪生。随着Tp升高,模拟试样LAGBs占比、晶粒尺寸、晶界碳元素偏聚以及残余应变增加,HAGBs和特殊晶界∑3n占比降低;Tp低于1050℃时未发现晶界碳化物,当Tp为1200℃时,M7C3呈不连续颗粒状分布于晶界,Tp为1320℃时又转变为棒状M23C6,此时模拟试样冲击韧性随Tp升高逐渐降低。当Tp为1320℃时,随着t8/5冷却时间增加,由于冷却速度降低,高温停留时间延长,模拟试样晶粒尺寸和晶界棒状M23C6显著粗化,LAGBs占比和残余应变呈先降低后增加的趋势,反之,HAGBs和特殊晶界∑3n占比先增加后降低;模拟试样冲击韧性呈先增加后降低的趋势。对不同Tp下的模拟试样进行等温时效+水淬试验,发现其可以通过原子扩散均匀化减轻碳元素偏聚、降低LAGBs占比并提高HAGBs和特殊晶界∑3n占比,改善HAZ的韧性;但长时间的等温时效会引起晶界M23C6碳化物粗化,恶化HAZ韧性。该发现揭示了导致低温高锰钢HAZ严重脆化的关键因素是晶界M23C6碳化物析出,而热循环引起的LAGBs、残余应力和晶界偏聚是HAZ韧性恶化的次要因素。（4）基于JMatPro软件计算,明确了低温高锰钢焊接HAZ晶界析出碳化物存在M7C3和M23C6,阐明了两种碳化物的析出行为和转变过程,并建立了HAZ晶界M23C6碳化物随Tp变化的粗化模型。通过对低温高锰钢开展热模拟+水淬的试验,研究了其焊接HAZ奥氏体晶粒的长大行为,发现在热循环升温和冷却过程中,当温度低于900℃时,奥氏体晶粒尺寸基本不变;当温度在900～1200℃范围时奥氏体晶粒开始缓慢生长;当温度高于1200℃时奥氏体晶粒生长速率显著增加;通过对晶粒尺寸的定量分析,建立了低温高锰钢焊接HAZ奥氏体晶粒分段式长大数学模型;当Tp为1320℃时,发现奥氏体晶粒尺寸与冷却时间t8/5的平方根呈典型的线性正相关关系,即:D（28）5.36 t8/5（10）13.66,其中D为晶粒尺寸,t8/5为热循环从800℃冷却至500℃的时长。