控制轧制与控制冷却(Thermomechanical Control Process, TMCP)是调控钢铁材料组织性能的关键环节。长期以来我们一直采用依赖于微合金元素添加和低温大压下的传统TMCP技术,但传统TMCP技术具有一定的局限性,为了进一步发掘钢铁材料潜力,克服传统TMCP的技术局限性,进入21世纪以来,以超快速冷却技术为核心的新一代TMCP技术取得了广泛的应用。在冷却路径控制方面做了大量工作,但超快速冷却条件下的相变规律、组织特征及强韧化机理尚需深入研究,而且未充分关注奥氏体组织演变及奥氏体中的应变诱导析出规律,因此深入研究控轧控冷中微合金钢组织性能调控基本规律具有重要的理论意义和应用价值。本文以控轧控冷工艺为主要技术手段,针对轧制和冷却过程中奥氏体组织演变、应变诱导析出、贝氏体相变规律及超快速冷却在组织性能调控中的物理冶金规律等关键问题进行了深入系统的研究。论文的主要创新性工作如下：1.首次系统研究了轧制和冷却参数对奥氏体组织细化的影响规律,确定了不同控制轧制条件下奥氏体组织的细化机制。奥氏体组织调控在控轧控冷中是非常重要的,尽管对钢材的热变形行为进行了深入研究,但有关控轧控冷工艺参数对奥氏体组织演变规律影响的系统工作还未见报道。本文根据热轧实践,采用单道次压缩实验研究了温度、应变、应变速率和冷却速度对奥氏体晶粒尺寸的影响。结果表明,变形温度为1150和1100℃、应变为0.5和0.8和应变速率为0.1～10s-1时,动态再结晶和亚动态再结晶是主要的细化机制；变形温度为1050和1000℃、应变为0.5和0.8和应变速率为1～10s-1,静态再结晶是主要的细化机制。在0.0～0.5的应变范围内,随着应变的增加,奥氏体组织显著细化,但是在较高变形温度1150和1100℃下,将应变增加至0.8不但不能继续细化奥氏体组织,反而使奥氏体组织发生粗化；而在较低变形温度1000℃下,可进一步细化奥氏体组织,但细化效应不显著。另外,在所研究的应变速率和冷却速度范围内,发现奥氏体晶粒尺寸正比于ε-p和v-q,在较高变形温度1150和1100℃下,p为～0.139,而在较低变形温度1050和1000℃下,p为～0.036,表明高温条件下应变速率对奥氏体晶粒尺寸的影响更大。此外,建立了计算奥氏体晶粒尺寸的经验数学模型,且计算值与实测值具有很好的一致性。2.系统研究了冷却参数对CCP (Continuous Cooling Precipitation, CCP)曲线的影响规律,说明了超快速冷却在调控应变诱导析出中的作用机理。许多研究中报道了化学成分和变形参数对PTT (Precipitation Temperature Time,PTT)曲线的影响,但对连续冷却析出行为的研究较少。而在实际轧制中,析出发生在连续冷却过程中,所以深入研究连续冷却析出行为是非常重要的。本文采用双道次压缩实验确定了PTT曲线,然后采用可加性法则计算了CCP曲线。结果表明,随着冷却速度的增加,应变诱导析出开始温度逐渐降低,表明应变诱导析出的过冷度随着冷却速度的增加而增加。随着冷却开始温度的降低,其CCP曲线先向左移后向右移,确定了1050、950和850℃开冷温度下的析出开始临界冷却速度分别为～10.2、-8.9和～1.9℃/s。在950℃～850℃进行轧制变形时,不可避免地会发生Nb的应变诱导析出,但采用超快速冷却可显著降低奥氏体中的析出量。3.系统研究了Mo含量对贝氏体相变行为的影响规律。本文将贝氏体相变区细化,研究了Mo对GF (Granular Ferrite, GF)和BF (Bainite Ferrite, BF)相变的影响,建立了计算GF相变开始温度的经验模型。结果表明,添加0.17wt%的Mo不能显著改变相变行为,但添加0.38wt%的Mo可显著改变相变行为。另外,在所研究的冷却速度范围内,添加0.38wt%的Mo可显著降低GF相变开始温度、缩小GF相变区和扩大BF相变区。对比无Mo和Mo-0.38wt%钢的连续冷却相变曲线,可知在不添加Mo的条件下,采用超快速冷却也可获得大量BF组织,实现相变强化。4.超快速冷却可显著提高高强微合金钢的强韧性,阐明了超快速冷却提高热轧钢材强韧性机理。采用超快速冷却,可有效细化M/A岛、促进大取向差板条贝氏体的形成、抑制碳的配分、提高大角晶界比例。但是在较高超快速冷却终冷温度560℃条件下,贝氏体相变主要发生在空冷过程中,碳发生充分的配分而形成块状富碳奥氏体,这些富碳奥氏体在马氏体相变开始温度以下转变为孪晶马氏体,其晶带轴B=[113],孪晶面(pqr)=(21-1),表明这些大块的M/A岛主要为孪晶马氏体岛。采用超快速冷却→400℃→空冷的冷却路径,可获得高强韧性,其屈服强度高达876MPa,韧脆转变温度低于-60℃。对于超快速冷却→560℃→空冷的冷却路径,微裂纹很容易形核于大块脆性孪晶马氏体上或孪晶马氏体-基体界面处,并且很容易穿过孪晶马氏体或沿着孪晶马氏体-基体界面扩展。此外,小角晶界,甚至是大角晶界,不能有效阻碍裂纹扩展,韧脆转变温度较高。对于超快速冷却→400℃→空冷的冷却路径,.微孔很难形核于细小M/A岛或碳化物上,并且他们的生长不是沿着板条界,而是穿过大取向差板条界。此外,在裂纹转向处和微孔聚合处存在明显的塑性变形,韧脆转变温度较低。5.研究了完全再结晶控制轧制(Recrystallization Controlled Rolling, RCR)+超快速冷却(Ultra Fast Cooling, UFC)工艺对实验钢强韧性的影响规律。提出了"RCR+UFC"控轧控冷工艺,通过再结晶控制轧制可将奥氏体晶粒细化至-16.5μm,经超快速冷却后,再结晶奥氏体相变为粒状贝氏体、上贝氏体和板条贝氏体组织,可获得细小的M/A岛。同样可获得较高的强度,且其韧脆转变温度为～-49℃,呈现较高的冲击韧度。