具有超高强韧性的纳米贝氏体钢,已成为新一代先进高强钢的典型代表。纳米无碳化物贝氏体、薄膜状残余奥氏体以及马氏体之间体积分数的最优组合决定了纳米贝氏体钢优越的综合性能。然而,这种理想的显微组织一般需要在较低的温度等温超长的时间来获得,不利于大规模工业生产。近年来,为获得这种理想的贝氏体显微组织,并解决相变时间过长的问题,合金元素和热处理工艺对纳米贝氏体钢的影响机理已成为贝氏体钢领域的研究重点。进一步明确合金元素和热处理工艺,尤其是新型热处理工艺如M_S以下温度等温淬火和两步等温淬火工艺等对纳米贝氏体钢相变动力学和组织性能以及残余奥氏体稳定性的影响规律至关重要。本文以纳米贝氏体钢为研究对象,研究合金元素、奥氏体预变形以及新型热处理工艺对高强纳米贝氏体钢相变动力学和组织性能的影响,尤其是探索新型热处理工艺下贝氏体相变动力学、奥氏体稳定性以及组织性能的演变规律,目的是阐明成分设计、新型热处理工艺如M_S以下温度等温淬火和两步等温淬火工艺等对高强纳米贝氏体钢相变和组织性能的影响规律,揭示新型热处理条件下促进贝氏体相变和强化贝氏体钢性能的机理,为高强贝氏体钢微观组织和性能控制提供理论依据。本文采用高温共聚焦显微镜(LSCM)原位观察等温贝氏体和马氏体的相变过程;采用热模拟膨胀法分析贝氏体相变动力学;采用OM、SEM、EBSD、TEM观察了贝氏体相变后显微组织形貌及分布;采用XRD技术测量试样中残余奥氏体的含量;采用拉伸实验机测量热处理后试样的拉伸性能。得到以下结论:(1)奥氏体预变形影响试样的M_S温度,随着变形量的增加,M_S温度先增加后降低,最后趋于稳定。本文首次提出临界应变(ε_c)概念,当应变量小于ε_c时,变形导致了M_S的升高;当应变量大于ε_c时,变形导致M_S降低。此外,首次观察到饱和应变(ε_s)现象,当变形量小于ε_s时,M_S温度与应变量呈开口向下抛物线关系;大于ε_s时,M_S温度趋近于一个常数。奥氏体预变形温度不影响M_S温度,也不影响临界应变值(ε_c)和饱和应变值(ε_s)。(2)首次在中碳贝氏体钢中原位观察到马氏体等温过程中连续相变现象。当中碳贝氏体钢M_S以下温度等温处理时,原位观察到了等温马氏体的连续形成,马氏体相变不是瞬间完成的,而是持续发生,这一观点不同于以往被普遍接受的观点。另外,验证了贝氏体和马氏体相变均能在M_S以下温度发生,并指出膨胀量与时间曲线的拐点并不是马氏体和等温贝氏体相变的分界点,在这个转折点后,马氏体相变仍能发生。(3)阐明了M_S以下等温淬火工艺对贝氏体相变动力学和组织性能的影响规律。试样M_S以下等温淬火时,获得了更快的贝氏体相变动力学和更细的贝氏体显微组织,但是随着等温温度的降低,先无热马氏体和碳化物的含量逐渐增加,贝氏体含量逐渐减少,导致强塑积逐渐下降。与M_S以上等温热处理试样相比,M_S以下等温热处理不一定可以改善贝氏体钢的力学性能,这取决于贝氏体钢的化学成分和相变温度。此外,M_S以下等温热处理时,奥氏体化温度对高强纳米贝氏体钢相变动力学和组织性能的影响与M_S以上等温热处理时不一样,随着奥氏体化温度的不断升高,先无热马氏体的体积分数不断增加,贝氏体和残余奥氏体体积分数先升高后降低,贝氏体板条厚度先减小后增大,贝氏体钢的力学性能先增强后减弱。(4)设计不同的两步等温热处理工艺,通过调节第一步的等温时间,研究第一步相变量对贝氏体钢总相变动力学和组织性能的影响。结果表明,在总等温时间相同的前提下,适当缩短第一步等温的保温时间,不仅加快了第二步等温保温过程中的贝氏体相变动力学,而且改善了贝氏体钢的力学性能。此外,与单步等温处理相比,两步等温处理明显改善了贝氏体钢的力学性能。(5)合金元素Ni(～1.00wt.%)影响高碳(～0.80wt.%C)高强纳米贝氏体钢相变、组织和性能。Ni元素的添加,降低了贝氏体形核和长大的驱动力,减慢了等温贝氏体的相变动力学,减少了贝氏体相变量和残余奥氏体含量。在较高的等温温度相变时,高碳贝氏体钢力学性能随Ni的添加而降低;在较低的等温温度相变时,Ni的添加对贝氏体钢力学性能的影响很小。(6)Si含量(1.00wt.%～2.00wt.%)以及合金元素Cr(～1.00wt.%)和Al(～0.50wt.%)影响低碳(～0.22wt.%C)纳米贝氏体钢相变、组织和性能。随着Si含量的增加,贝氏体相变动力学逐渐减慢,贝氏体的相变量逐渐降低,但是获得了更多的薄膜状残余奥氏体和更少的碳化物,改善了贝氏体钢的综合性能。单独添加Cr增加了贝氏体相变量,提高了低碳贝氏体钢的强度;单独添加Al促进了铁素体的相变,导致贝氏体相变量减少,并降低了贝氏体钢的力学性能;复合Cr和Al元素的添加,轻微促进了贝氏体相变量和提高了贝氏体钢的性能,但是弱化了单独Cr添加的促进效果。(7)通过高温显微镜原位地测量了冷却过程中贝氏体的伸长速率,并结合热膨胀量法分析了贝氏体相变量与伸长速率之间的关系。随着等温温度的降低,贝氏体束的伸长速率逐渐降低,但最终贝氏体相变量增加,意味着低的相变速率并不一定导致少的相变量。此外,在高温和中温区间发生贝氏体相变时,晶界上形核的贝氏体的伸长速率大于晶粒内形核的贝氏体束;但在低温区间,两者基本没区别。