通过对X70和X90的优化以及对管线钢显微组织、工艺和性能的研究,本文认识到在更高强度管线钢的开发和优化中需要充分发挥铌和其他合金元素的晶界强化作用,合理地设计晶界强化、晶内第二相强化和显微组织组成。理解关键合金元素的作用机制,充分地发挥各合金元素的作用、最有效率地使用合金元素是本文的目标。技术和经济两方面同时提升对促进更高强度等级管线钢更快进入实际应用非常有帮助。首先,本文以X70M管线钢为研究对象,从9.5 mm规格逐步到20.6 mm厚度规格,化学成分设计基本不变,但是随着厚度的增加,板卷和钢管的强韧性能尽量提高或保持相近的水平。精简化学成分设计的17.5 mm厚度规格X70获得了 535 MPa的屈服强度、663 MPa的抗拉强度,-60℃冲击功KV8大于350 J;因为成分简单、强韧性能优异,使X70成为了一个非常好的分析解剖对象,便于在成分、显微组织、轧制和冷却工艺等方面找出对提高管线钢强韧性能最有效的因素并应用于X90的开发和优化。其次,本文在X90的开发过程中实践了上述减量化的设计方法。增加铬钼镍铜等合金元素的含量来开发X90,虽然可以有效地提高材料的强度,但也会降低材料韧性。通过对比研究,发现轧制变形期间的奥氏体亚动态再结晶使实际变形量减小了,这制约X90性能的提升。通过降低合金含量,优化轧制规程设计,采用快速冷却低温卷取工艺,开发出了符合技术要求的高韧性X90板卷。第三,本文将X70、X80和X90作为一个整体系统地研究了管线钢的显微组织特征:它们的相同点是显微组织类型相近,通过不同取向针状铁素体的分割作用以及丰富的位错胞状结构有效地细化了晶粒;不同点在于针状铁素体和准多边形铁素体含量的相对比例、晶粒大小、位错密度等。管线钢中除了 10～100nm尺寸不等的TiN、Nb(C,N)复合析出物外还存在10 nm及以下尺度的圆形析出物。在X70钢中观察到的尺寸约5 nm的椭圆形析出物确认是碳化铌。通过三维原子探针试验在X70钢中发现碳、铌和磷元素在晶界的偏聚,铌元素的偏聚程度最大,磷、碳次之。晶界处铌的最大原子百分含量达到0.29和0.47at.%,是基体中铌含量0.039at.%的7.5～11.9倍。电子能量损失谱测试结果表明,铁在晶界处的3d电子占据数比在晶界内的高,表明晶界结合得到了增强。第一性原理计算结果表明由于铁的3d轨道和铌的4d轨道的相互作用,晶界系统的电子态密度分布向低能区域移动,晶界处铁的3d电荷增加,这为晶界结合提供了更多的电子,从而增强了晶界结合,有利于提高材料的强度和韧性。