超细贝氏体钢(Ultrafine bainitic steel)起源于剑桥大学开发的纳米结构无碳化物贝氏体钢,具有超高的强度和良好的韧性,然而过长的等温转变时间限制了其大规模工业化生产。本文从合金成分优化、过冷奥氏体预变形、马氏体预相变等方面入手,研究一种预变形-淬火贝氏体相变工艺,缩短超细贝氏体钢的等温相变时间,以满足工业化批量生产要求。综合分析了过冷奥氏体预变形、马氏体预相变条件下无碳化贝氏体的转变机理,探索了超细贝氏体钢的塑性变形行为,主要工作和结果如下:在传统高碳纳米贝氏体钢的基础上,调整C、Mn、Cr、Al及B元素含量设计三种中碳成分体系的超细贝氏体钢,通过MUCG83软件计算、连续冷却转变及等温转变曲线的测定进行实验钢相变规律的研究。结果表明,Mn、Cr含量的增加降低了奥氏体向铁素体转变的相变驱动力,从而推迟了贝氏体相变;B元素能有效降低临界冷速,但会增加贝氏体的相变孕育期,降低贝氏体的相变速率。利用Gleeble热模拟试验及温轧试验研究了不同预变形温度及预变形量对贝氏体相变行为及塑性变形规律的影响。结果表明过冷奥氏体预变形加速贝氏体在300℃的等温相变,但形变引起奥氏体机械稳定化,导致贝氏体最终转变量降低;随着预变形温度的降低,贝氏体的相变孕育期及完成时间缩短,贝氏体转变速率加快,且贝氏体铁素体板条及薄膜状残留奥氏体的尺寸减小;低温小变形条件下(300℃变形量小于30%)能够提高贝氏体的形核速率,缩短贝氏体相变完成时间,而大变形则对贝氏体相变加速效果有所弱化;通过EBSD研究了预变形试样的贝氏体铁素体的晶体取向,形变减少单个奥氏体晶粒中贝氏体变体数量,产生变体选择,且随着预变形温度的降低,变体选择越发明显;相对于直接等温工艺,预变形能够细化贝氏体组织,提高实验钢的硬度及强度,减少块状残留奥氏体的尺寸及比例,阻碍拉伸初期脆性相形变诱导马氏体的产生,增加实验钢的塑性,但由于变体选择的出现,预变形在一定程度上降低了冲击性能。利用膨胀仪热模拟试验研究了马氏体预相变工艺下贝氏体的相变行为,通过淬火至不同淬火终点温度,制备含不同预相变马氏体量的超细贝氏体钢。研究结果表明,随着预相变马氏体量的增加,贝氏体在马氏体板条附近的形核位置增加,贝氏体的相变孕育期及相变完成时间缩短;预相变马氏体在Ms点以下的淬火保温时间对其碳化物析出行为与贝氏体等温相变产生影响,理论计算及实验结果表明较短的淬火保温时间会导致碳原子因可扩散距离较短而不能在马氏体与奥氏体边界处聚集,抑制了碳化物的快速析出,延缓了奥氏体贫富碳区的出现,增加了贝氏体的相变孕育期;通过EBSD对预相变马氏体及其临界的贝氏体铁素体进行研究,马氏体的引入影响贝氏体的生长方向,使得贝氏体铁素体与预相变马氏体具有相同的晶体取向;马氏体预相变工艺能够有效降低块状残留奥氏体的尺寸,细化贝氏体组织,提高实验钢的硬度、强度及塑性,但降低了冲击性能。研究了预变形和马氏体预相变对贝氏体相变行为的交互作用,建立了不同工艺下的组织演变模型。在高温变形及低温小变形时,贝氏体铁素体在奥氏体内部滑移面及马氏体边界形核,预变形及马氏体预相变对贝氏体的加速效果相互叠加;而在低温大变形时,预相变马氏体的加速作用被抑制。在综合考虑预变形和预相变综合作用以后,采用一种预变形-淬火贝氏体相变工艺制备出由纳米无碳化物贝氏体、残留奥氏体和少量马氏体组成的超细片层结构的贝氏体钢,其中过冷奥氏体经300℃变形30%后引入一定量的预相变马氏体,实验钢的屈服强度大于1600MPa,抗拉强度达1900MPa,均匀延伸率超过20%。从多尺度分析超细贝氏体钢组织与强韧性之间的本质联系。宏观上研究了不同工艺参数对实验钢强度和塑性的影响规律,断口形貌表明组织细化及块状残留奥氏体尺寸的减小能有效抑制拉伸过程中裂纹的萌生及扩展。采用定量拉伸的方法研究了预变形工艺及预变形-淬火贝氏体工艺下超细贝氏体钢的塑性变形行为,两种工艺都能细化贝氏体组织,提高残留奥氏体的稳定性,抑制拉伸初期阶段形变诱导马氏体相变的产生;应变量在0.02～0.1之间时,预变形工艺下残留奥氏体的变化量较高,而在应变后期,预变形-淬火贝氏体工艺下超细贝氏体表现出更为显著的加工硬化效果。微观上采用纳米压痕与有限元结合的方法,获得各相的本构模型参数,并采用二维代表性体积元模型模拟超细贝氏体钢的塑性变形过程,结果表明预变形及马氏体预相变会对拉伸初期残留奥氏体的转变起到一定的阻碍作用,且预相变马氏体在拉伸过程中分担较大的应力,提高材料的屈服强度。