微合金钢的力学性能和损伤失效是压力容器、船舶、汽车、石油天然气管道等多领域共同关注的基础科学问题,是结合材料学和损伤力学多尺度、跨学科的复杂命题。而带状不均匀性是合金钢微观组织中不可避免的一种结构状态,它的形成与成分偏析、热加工不当、轧后冷却速度缓慢以及成分不均匀等因素有关。带状组织作为钢中的一种缺陷性组织,增加了钢材力学性能的各向异性,材料的变形过程和断裂行为均会受到影响。考虑到相邻不同带状的力学特性、界面强度以及局部变形特征等问题,传统的力学测试手段难以全面认识不同带状组织的变形损伤机制。本文主要围绕微合金钢中带状组织力学行为及其损伤机制问题展开了实验研究,分析了不同带状区域的力学场特征,揭示了带状组织与钢材力学响应的关系,从而为合金钢微观组织的调控与评价提供理论支撑,并为含有带状组织材料结构的损伤失效分析提供依据。本文首先在宏观尺度上研究了由多边形铁素体和硬质第二相组成的粗带状组织的力学行为,获得了轧制方向(Rolling direction,RD)和横向(Transverse direction,TD)带状组织在单轴拉伸条件下的全场变形演化规律。结果表明:RD拉伸中的损伤呈弥散分布,硬质带对软质带中的变形扩展表现出明显的阻碍作用,并存在变形的滞后性。同时,TD取向的带状组织对局部变形呈现出更高的敏感性。根据带状取向和局部变形的内在关联,定量研究了相同带状比例下0°、45°和90°取向的力学行为差异。通过数字图像相关技术(DIC)全场变形测量与实验数据统计分析的基础上,提出了描述形变强化程度的参量K_f以及强化速率参量I_f,并将其用于描述带状组织变形的不均匀性和各向异性行为。实验结果表明,形变强化在进入屈服阶段后表现为非线性的快速增长,不同带状取向的强化速率存在差异,相同应力下45°方向的形变程度最高,K_f达到0.5附近材料的强化速率达到稳定。此外,对拉伸载荷作用下软硬带状比例以及带状宽度对流动应力的影响进行了分析。结果表明流动应力随硬质带含量的增加而升高,随着带状宽度的增大而减小。其次,在细观尺度上研究了由不同尺寸针状铁素体晶粒形成的带状组织的力学行为,获得了该带状组织在RD和TD拉伸下局部变形的分布特征。结果显示粗/细针状铁素体带在初始塑性阶段均产生一定屈服并呈现出剪切带形貌,细晶带随着变形的增加逐渐得到强化,TD拉伸条件下表现出与粗晶带区域具有对应关系的应变局部化行为。同时,给出了0°、45°和90°取向粗/细晶粒带状在连续变形下的全场应变分布。结果显示相同应力下45°方向的K_f仍然最大。K_f达到0.4附近时材料的强化速率趋于稳定,该值小于由多边形铁素体和硬质第二相组成的带状组织,这表明其形变强化速率高,变形抗力较大。晶粒尺寸差异导致的带状形貌依然会对损伤的演化和各向异性产生影响,其影响程度与两个组成带的力学性质差异有直接联系。再次,针对管线钢原组织中的织构特征,将SEM-DIC方法与电子背散射衍射技术相结合从微观尺度研究了局部针状铁素体/粒状贝氏体带状组织(Acicular ferrite/Granular bainite,AF/GB)在不同载荷下的损伤失效和晶粒取向变化规律,并分析了晶粒取向对其损伤破坏的影响。结果表明块状GB的延展性较差,并且带状界面处表现出更弱的力学性能。GB的较大尺寸和单一取向降低了变形损伤的抗力,增加了较高应力强度水平下的损伤扩展速度。在材料生产中要尽量避免粗GB的出现。最后,利用聚焦离子束和DIC技术,基于环芯法测量了不同带状内微观组织的残余应力。首先设计自然散斑模型,分析和验证了测量的准确性。同时采用纳米压痕技术分别测量并分析了软/硬相的弹性模量。结果表明该材料中碳化物的不均匀分布可引起硬度的差异,但对弹性模量的影响不大。硬质带中微观组织的残余应力明显大于软质带,成分偏析引起的带状不均匀性会对微尺度残余应力的分布产生明显的影响。较大的残余压应力可降低疲劳裂纹在硬质带中的扩展速率,增强材料的疲劳性能。