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为降低长距离管道成本以及提高输送效率,大口径高压输送管线是管道工程发展的必然趋势,因此需要采用高强度等级的管线钢,虽然X100以上级别的管线已研究开发和铺设试验段,但考虑到焊接性能,纵向和环向止裂性能的高要求和性价比、安全性等综合因素,X80管线钢成为国际上高强度管线钢的首选钢级。而对X80级管线钢的性能要求也因管线工程应用环境的不同产生差异,如在深海地区和极寒地区对其抗大变形的能力和低温韧性的要求就具有较大的差异。本文研究的管线钢主要是针对偏远的极地、冻土、高原等恶劣环境,管线将面临着极寒温度下的脆断问题,因此,对输送管道的低温韧性提出了更高的要求。而国际上有关管线钢韧性提升方面的理论和技术手段目前已非常完善,现有商用X80管线钢的韧性水平已处于很高的水平,能否在现有的理论和技术基础上进一步突破,在现有高强高韧的X80针状铁素体（Acicular ferrite,AF）管线钢基础上,进一步提升管线钢的低温韧性和止裂性能是本论文的研究重点和难点。论文围绕影响低温韧性、止裂韧性等主要性能的材料纯净度、关键成分、复杂组织结构的组成、晶粒尺寸和晶体学取向等复合因素,通过化学成分和复杂组织的优化设计,在对高强高韧管线钢的动态连续冷却相变规律的研究基础上,对复杂针状铁素体管线钢的组织和相进行调控,深入研究影响低温冲击韧性的因素和机制,在深入理解不同的微观组织特征和晶体学取向特征与基体止裂性能之间的关系规律基础上,通过影响韧性的全流程因素的控制和理论及技术的挖掘,获得了如下结果:通过控制热机械控制轧制（Thermo mechanical controlled processing,TMCP）的关键参数来调控X80管线钢复杂针状铁素体组织的组成比例和大角度晶界（High angle grain boundaries,HAGBs）的比例,从而获得良好的低温韧性。具体规律表现为:随冷却速度提高,多边形铁素体（Polygonal ferrite,PF）或准多边形铁素体（Quasi-polygonal ferrite,QF）体积分数下降,贝氏体铁素体（Bainitic ferrite,BF）体积分数增加;提高终轧温度,晶粒粗化,但针状铁素体组织比例基本不变;提高终冷温度到550℃时,组织严重粗化,并伴随大量恶化低温韧性的大尺寸尖角状MA（Martensite-Austenite）岛;增加驰豫时间,PF晶粒尺寸及体积分数逐渐增大。结合热模拟试验和工业化试验研究结果,设计出了具有高韧性的X80低温管线钢组织,该组织为细小的QF+粒状贝氏体（Granular bainitic ferrite,GB）+少量BF,其中QF+GB占90%以上,HAGBs占比高于50%。工业化TMCP参数为:终轧温度750℃,终冷温度480℃,冷速20℃/s。通过关键元素Nb和Mo含量的调控,探究了不同Nb、Mo元素含量对相变的影响规律。在相同TMCP工艺下,研究了不同Nb、Mo含量管线钢强韧性的差异与组织特征之间的关系。结果表明:Mo含量的增加有利于组织细化和针状铁素体的形成,动态CCT曲线向右下方移动;随着Nb含量的降低,针状铁素体的形成难度增加,晶粒发生粗化,动态CCT曲线向左上方移动;在相同TMCP工艺下,相比于0.2%Mo钢,0.3%Mo钢由于BF体积分数的提高以及MA岛尺寸、数密度的提高而具有更高的强度,但MA岛的尺寸、体积分数及形状的不规则程度的增加均导致了其低温冲击功的损失;相同TMCP工艺下,相比于0.08%Nb钢,0.04%Nb钢因晶粒尺寸的增大引起了强度的降低,其低温冲击功也因HAGBs含量的减少而有所降低。研究了微观组织特征与低温下裂纹扩展和组织止裂特性之间的关系,并建立了晶体学取向特征与断裂行为和低温冲击韧性的关系。研究表明:当裂纹在传播过程中遇到大角度晶界时,裂纹会偏离原始方向;含有大角度晶界密度更高的AF组织具有更强的阻碍裂纹扩展的能力,其断口上的特征为更加曲折的裂纹扩展路径和更小的解理断裂单元,它们的冲击韧性更加优异。进一步的深入研究发现晶体学取向特征对材料的韧性有较大的影响。轧后空冷的钢中平行于断口平面的{100}面含量最多,导致了其韧脆转变温度（Ductile-brittle transition temperature,DBTT）温度较高;相比于轧后直接快冷至室温的钢,轧后空冷+快冷+空冷的钢中具有更多平行于V 口表面的{100}解理面,从而形成尺寸更大、数量更多的二次裂纹,显著缓解了应力集中,且在{332}＜113＞织构表现出更高的强度,因此其冲击功更高;采用一种修正的公式可以定量的预测多边形铁素体组织的DBTT,然而由于针状铁素体组织形态复杂,该公式只能用于近似地预测针状铁素体组织的DBTT。研究发现即使在超纯净钢中微量稀土（Rare earth,RE）元素对管线钢的组织和性能也有影响。在O和S含量小于10 ppm的超纯净钢中,稀土的加入仍会导致夹杂物数量的增加,这类夹杂物由稀土氧硫化物和稀土硫化物组成,当加入112 ppm的稀土时形成的夹杂物较多,降低了钢的低温韧性,而加入47 ppm稀土时形成的夹杂物数量较少,对冲击韧性无明显影响。综合分析稀土和TMCP工艺对夹杂物和组织的影响发现,超纯净含稀土管线钢的低温韧性受夹杂物和HAGBs含量的控制。对于添加112 ppm稀土的钢,随着终冷温度从481℃提高到584℃,冷却速度从20℃/s降低到13℃/s时,其低温冲击功明显降低,韧性降低值（约33 J）由两部分组成:112 ppm的稀土引起的夹杂物增量对韧性的影响值（18 J）和HAGBs含量的差异对韧性的影响值（约15 J）。