富铜纳米相沉淀强化钢是一种基于纳米沉淀强化的新型高强度钢铁材料。传统高强钢主要通过获得高碳显微组织提高屈服强度,但与此同时会牺牲材料韧性及焊接性能,严重限制了其应用范围。因此如何改善高强钢的强韧性匹配,提升不同应用环境下的综合力学性能,越来越受到人们的关注。本论文以富铜纳米相沉淀强化钢为研究对象,并基于沉淀强化理论,首先,通过优化合金成分和热处理工艺,控制纳米相的形核和长大过程,从而提升材料的屈服强度,并进一步研究富铜纳米相强化钢的强化因子及作用机理。其次,控制热机械加工工艺及固溶处理工艺,获得细小板条马氏体结构,并对其进行详细的微观表征和力学性能测试,进一步综合分析多种韧化方法及作用效果,系统地研究富铜纳米相沉淀强化钢的韧化机制。最后,通过焊接实验,分析富铜纳米相沉淀强化钢的冷裂纹敏感性及焊后综合力学性能,并进一步研究焊接热循环过程中纳米相的再析出机制。本研究为推动富铜纳米相沉淀强化钢在高强度钢铁材料领域的应用及相似合金体系的强韧化研究提供科学依据。控制热机械处理和固溶处理工艺,可获得粒状铁素体、多边形铁素体和板条马氏体等不同的显微组织。当精轧温度为800～850℃时,随着固溶处理温度由800℃升高到900℃,显微组织由粒状铁素体向多边形铁素体结构转变,屈服强度明显上升,但延伸率和低温韧性明显下降。同时,小角中子散射结果表明,在粒状铁素体和多边形铁素体基体上进行相同的时效处理（550℃,1 h）,可得到相同尺寸和数量密度的纳米析出相,从而使基体获得相同程度的强度提升。时效温度相同时,随着时效时间的延长,纳米相尺寸逐渐长大,数量密度随之降低。具有板条马氏体结构的富铜纳米相沉淀强化钢比多边型铁素体结构具有更好的低温冲击韧性。在屈服强度提升约90 MPa的同时,韧脆转变温度下降约60°C。这主要是由于板条马氏体结构具有裂纹稳定扩展阶段,能够抑制裂纹失稳扩展的出现,而对于多边形铁素体结构,一旦裂纹开始扩展则立即发生失稳快速扩展,尽管二者的裂纹萌生功相似,但板条马氏体结构的裂纹扩展功相比多边形铁素体提高约85 J。同时板条马氏体结构具有更高含量的大角度晶界和更细小的有效晶粒尺寸,这些大角度晶界能够有效偏转裂纹前进角度,消耗裂纹扩展能量,从而有效阻碍裂纹扩展,而细化的有效晶粒尺寸,能够提高解理断裂应力,从而降低韧脆转变温度。层状结构具有独特的裂纹阻碍机制,能够有效钝化裂纹尖端的三向应力状态,显著增大裂纹沿垂直层状方向的扩展阻力,并偏转裂纹向平行层状方向延伸,从而显著提高富铜纳米相沉淀强化钢的低温韧性。使其在室温到-80°C范围内,冲击功均保持在300 J以上,且不发生明显的韧脆转变。同时,经时效处理后,可获得细小且均匀分布的在层状铁素体基体中的纳米析出相,可显著提高层状结构富铜纳米相强化钢的屈服强度约220 MPa。通过纳米相强化设计,1000 MPa级的富铜纳米相沉淀强化钢可以控制在较低的碳当量（0.75%）。插销实验结果表明,在不预热的情况下,冷裂纹敏感指数约为25%,临界断裂应力为1350 MPa。当采取120℃预热时,冷裂纹敏感指数显著下降到13%,同时临界断裂应力提高到1560 MPa。富铜纳米相沉淀强化钢经焊接热循环后,对于热影响粗晶区（CGHAZ）,由于其峰值温度较高,且高温停留时间较长,纳米相全部溶解于基体中,形成粗大的板条马氏体结构,因此其屈服强度相比于母材显著下降,但其低温冲击韧性得到提高。热影响细晶区（FGHAZ）的峰值温度较低（950°C）,焊后形成细小的板条马氏体结构,延长冷却时间t8/3到180 s时,纳米相的形核位点及长大时间相比于CGHAZ均更加充足,因此可在FGHAZ发生动态再析出。新析出的纳米相与母材相比,纳米相尺寸有所增大,数量密度降低,因此,FGHAZ的屈服强度相比CGHAZ显著升高,仅低于基体38 MPa左右。由于FGHAZ具有比母材更细小的有效晶粒尺寸,其低温冲击韧性也相比母材得到明显提升。