为应对能源紧张和环境污染问题,工程机械装备的轻量化已经成为未来的重要发展方向。以自卸车为例,应用强度级别更高的钢板以此减薄结构件厚度的方法,是实现轻量化最有效的途径之一。然而单纯靠提高钢板强度达到轻量化的目的,存在一定的局限性,随着结构件厚度的减薄,其刚度逐渐降低,导致结构件在使用过程中容易发生变形,甚至引发安全事故。因此实现装备减重的同时,还要保证结构件刚度,低密度轻量化钢板的开发可以有效地解决这个问题。采用Al合金化的成分设计能够有效地降低钢板密度,在Al合金化的基础上,进行兼具低密度、高强度、高硬度等优点的热轧中厚板的开发,从而实现工程装备质量的减重,是实现工程机械装备轻量化的有效途径。本文设计了 Al含量为0 wt%、3 wt%和6 wt%的三种不同成分的低密度高强钢,并采用3种不同的制备工艺,创新地在马氏体基体上引入微层状铁素体组织,最终获得了一种兼具超高强度、超高韧性和良好塑性变形能力的低密度钢板。在此基础上,对比分析了工艺参数对不同Al含量钢板性能影响,探讨了钢板分层断裂高韧化机理及单向拉伸载荷作用下的断裂失效行为。文章的研究内容和主要结果如下:（1）采用Thermo-calc热力学计算软件,对添加了 0wt%、3 wt%和6 wt%Al元素的低密度钢相图进行计算,结算结果表明,3 wt%和6 wt%Al实验钢在1200℃～A1点这一温度范围内,处于铁素体+奥氏体两相区。且由于Al元素的添加,奥氏体共析C含量增加,使得点阵常数增大,铁素体+珠光体向奥氏体转变时引起体积膨胀。组织模拟计算结果表明,两相区淬火后的组织受淬火温度影响较大,其中3Al钢中奥氏体体积分数随淬火温度降低而降低,6Al钢中奥氏体体积分数在950℃时达到最大;较低的淬火温度,将导致变形后组织中马氏体内生成部分α铁素体。（2）在3Al钢及6Al钢两种成分基础上,采用高温轧制在线淬火、待温轧制在线淬火及待温轧制离线淬火三种制备工艺进行实验钢制备,两相区热轧、淬火后的低密度钢组织具有很强的各向异性,其中3Al钢组织以马氏体为主,分布着层状δ铁素体;6Al钢以大块状δ铁素体为主,分布着类似层状的马氏体。经高温轧制后在线淬火制备的3Al钢,其组织为板条马氏体+微层状δ铁素体双相组织,该类组织轧制方向具有十分优异的力学性能,屈服强度为1114 MPa,抗拉强度为 1698 MPa,高于0Al-900Q,断后延伸率为8.2%,-40℃冲击功为391.0J,为0Al-900Q的7.4倍;而6Al钢室的组织为大量δ铁素体+部分板条马氏体,由于6Al钢中马氏体碳含量较高,导致该类组织室温下的韧塑性均较差,拉伸、冲击时均表现为脆性断裂。（3）利用扫描电镜等设备对低密度钢冲击断口及裂纹扩展情况进行分析,结果表明,低密度钢中由于Al元素的添加带来的δ铁素体,在室温下变形时表现为脆性断裂,其中3Al钢中的马氏体起到阻碍裂纹扩展的作用,而6Al钢中马氏体C元素含量过高,在变形时表现为脆性断裂;当淬火温度较低时,马氏体内部生成较多的α铁素体,马氏体内存在的α铁素体在变形时会作为裂纹形核位置,造成局部应力集中,导致韧性下降。（4）高温轧制后在线淬火制备的3Al-1R及待温轧制在线淬火的3Al-2R冲击样品在冲击断裂过程中会发生分层现象,其载荷-位移曲线裂纹扩展阶段,载荷呈阶梯式下降,存在载荷平台。对分层位置组织观察发现,主裂纹扩展至一定位置后,沿条状δ铁素体发生横向扩展,产生较大尺寸的二次裂纹导致样品分层。裂纹继续沿缺口深度方向扩展则需主裂纹再次形核,载荷-位移曲线中载荷平台为主裂纹再次形核的过程,3Al-1R、3Al-2R冲击裂纹扩展过程为:主裂纹形核扩展-主裂纹转折成二次裂纹-主裂纹再次形核扩展的循环过程。（5）结合低密度钢组织各向异性及断口附近处微裂纹形貌,对3Al钢单向拉伸载荷作用下断裂失效行为进行分析,其中3Al-1R在变形过程中,由于马氏体与铁素体界面处应变不连续,形成两类微裂纹,Ⅰ类微裂纹为马氏体-α铁素体界面处形核,导致局部应力集中;Ⅱ类微裂纹在马氏体-δ铁素体界面位置处形核,造成δ铁素体解理断裂,形成较大尺寸的解理裂纹。两类微裂纹在应力作用下进一步扩展、连接,在其共同作用下,材料最终发生断裂。3Al钢T向样品中同样存在上述两类微裂纹,其中解理裂纹沿条状δ铁素体长度方向扩展,尺寸较大,造成比较严重的应力集中,导致T向塑性较差。6Al钢中马氏体及铁素体两相,阻碍裂纹扩展的能力较差,均为脆性断裂,导致6Al钢塑性变形能力很低。