随着全球环境的恶化和资源危机的出现,钢铁行业正面临着前所未有的挑战,主要体现在合金成本升高和企业利润大幅下滑之间的矛盾,为此需要减少钢铁产品中微合金元素的添加量,以满足降低生产成本和节约合金资源的发展要求。渗碳体作为钢铁中最为经济和重要的第二相,逐渐在钢铁产品开发过程中引起了广泛的关注。一方面,若能有效地将渗碳体细化到数十纳米的尺寸,则可以产生非常强烈的第二相强化效果,起到和微合金碳氮化物一样的强化作用,达到降低钢中微合金元素含量的同时又能提高钢材强度的目的。另一方面,通过热处理工艺控制渗碳体的形态,在组织中实现渗碳体的均匀球化,可以显著提高材料的塑性和成形性,改善钢材的综合性能。由于在传统的碳素钢生产工艺中,在平衡或者近似平衡的冷却条件下,渗碳体通常以珠光体片层的形式析出,无法形成纳米级颗粒,并且在热轧后的高温条件下很容易粗化长大。因此,本文利用超快速冷却(UFC)技术,突破了传统热轧生产线上冷却能力不足的制约,通过提高热轧后的冷却速度使渗碳体在非平衡状态下析出,在开展的薄板坯热轧实验中实现了渗碳体的纳米级析出,产生了明显的析出强化效果。此外,通过超快速冷却技术和轧后退火工艺,实现了球化渗碳体在铁素体基体上细小弥散的分布,显著提高了实验钢的扩孔性能。本文的主要工作及创新研究成果如下：(1)在MMS-300热模拟实验机上对实验用碳素钢进行热模拟实验,研究了过冷奥氏体在连续冷却条件下的相变行为,通过组织观察和热膨胀法测定了连续冷却转变曲线,并分析了碳含量、高温变形和冷却速率等因素的影响。结果表明：过冷奥氏体相变的起始温度随着冷却速率和钢中碳含量的增加逐渐降低；高温变形可以促进铁素体相变,并且细化晶粒；随着冷却速率的增加,组织中铁素体的体积分数明显减少,组织由铁素体和珠光体两相组织逐渐过渡到铁素体、珠光体和贝氏体三相组织,最终转变为铁素体和贝氏体两相组织。(2)利用超快速冷却技术,通过控制轧后冷却温度,研究了四种不同碳含量的亚共析钢热轧后组织中渗碳体的析出行为和强化机制。实验结果发现,在超快速冷却条件下,0.04%C和0.5%C实验钢的主要强化方式分别是细化晶粒和细化珠光体片层间距,无纳米级渗碳体颗粒析出,而0.17%C和0.33%C实验钢的组织中则有大量弥散的纳米级渗碳体析出,颗粒平均直径大约为20-30nm。通过超快速冷却技术实现了在无微合金元素添加的条件下渗碳体的纳米级析出。随着超快速冷却终冷温度的降低,实验钢的屈服强度和抗拉强度都逐渐增加,当超快速冷却的终冷温度从890℃下降到600℃时,0.04%C、0.17%C、0.33%C和0.5%C钢的屈服强度分别提高了30MPa、110MPa、120MPa和130MPa。因此,超快速冷却技术有利于提高实验钢的强度,并且强化效果随碳含量的增加更加显著。(3)根据KRC和LFG模型提出的Fe-C合金的奥氏体相变机制,系统地计算了过冷奥氏体的相变驱动力,从热力学的角度分析了过冷奥氏体分解析出纳米级渗碳体颗粒的可能性和规律性。计算结果表明,在相同的过冷温度条件下,奥氏体以退化珠光体方式转变的驱动力最大,是最有可能发生的相变过程。在超快速冷却的条件下,过冷奥氏体分解析出渗碳体时,碳原子的扩散将受到抑制,在短时间内渗碳体无法充分长大成片层结构而是直接以纳米颗粒的形式弥散析出。碳含量和过冷度是控制渗碳体以纳米级颗粒形式析出的主要影响因素。此外,根据平衡浓度计算,在先共析铁素体组织附近存在大量的富碳区,这部分高浓度的奥氏体分解析出纳米级渗碳体的倾向性更大。(4)通过超快速冷却和形变热处理工艺,进一步有效的增加了实验钢的位错密度,促进渗碳体均匀形核,使纳米级渗碳体颗粒在整个组织中的分布更加均匀弥散,从而更好地实现了均匀强化的效果。实验结果表明,当超快速冷却的终冷温度从660℃下降到500℃时,实验钢的组织由先共析铁素体和退化珠光体两相组织转变为具有弥散的纳米渗碳体颗粒析出的单一贝氏体组织,屈服强度提高到700MPa以上。0.17%C实验钢的强度随着超快速冷却终冷温度的降低而升高,随着形变热处理的保温时间增加而降低。(5)研究了冷却路径对热轧后经退火处理0.33%C钢的组织和扩孔性能的影响。结果表明,通过超快速冷却和后续退火处理可以在铁素体基体上形成弥散分布的球化渗碳体组织；随着终轧温度和终冷温度的降低,退火处理后的渗碳体更加细小,且弥散程度提高。在扩孔实验中,当切向延伸率到达材料成形极限的时候,裂纹优先在冲孔的边缘出现,裂纹主要通过微孔集聚的方式形成；均匀细化的铁素体和球化渗碳体组织能够明显提高实验钢的延伸率,有效阻止相邻微孔聚合,从而提高材料的扩孔性能。实验钢的极限扩孔率可以达到165.8%。