Cu在钢中作为强化元素,不需要依赖碳、氮元素即可引起强化,对于先进高强钢的发展具有极好的潜能,因此,其在高强低合金钢的应用受到了广泛关注。由于含铜高强低合金钢具有高强韧性、良好的可焊性和耐蚀性,被广泛应用于造船业、海洋工程设备、汽车工业、建筑钢、重型工程结构、高压运输管道、以及桥梁,高压容器和石油工业。含铜钢在时效过程中的纳米富Cu相沉淀是引起强化效果的主要因素,其中,合金元素的添加对富Cu亚稳相的析出具有重要作用,因此,探究其对时效过程中的影响,对于含铜高强钢的开发与应用具有重要理论与实际意义。本文利用真空感应炉冶炼优选了两种成分的含铜钢,通过固溶和时效工艺,借助维氏硬度计完成了硬度测试,采用金相显微镜、场发射扫描电镜和高分辨透射电镜,对固溶与时效过程中实验钢的微观组织,析出物形貌、结构、分布等进行分析,探究了时效过程中显微组织和析出相演变过程。运用第一性原理计算了Cu与Ni、Al之间的结合能,结合富Cu相统计数据探究了Ni、Al共添加对析出动力学的影响机理。利用XRD Rietveld结构精修分析了时效过程中基体的晶格参数变化,结合WH方法计算了位错密度的演变规律,在此基础上,探究了含铜钢中Cu的析出规律和演化过程,同时讨论了时效过程中的强化机制。结果表明,1#实验钢经900℃固溶水冷后的室温组织为多边形铁素体,2#为多边形铁素体和板条马氏体,随着500℃时效时间的延长,基体组织发生再结晶。同时,实验钢硬度值均呈现先增后降的整体趋势,并且都在时效60 min左右达到硬度峰值,由于2#实验钢Ni、Al元素的共添加,其硬度值明显大于1#实验钢,且硬度峰值可以维持更长时间。此外,Ni、Al元素的共添加显著增加了纳米富Cu相的数量密度并且延缓了析出物在时效过程中的长大速率,提高了纳米富Cu相的热稳定性。通过对位错与纳米析出相之间的剪切强化机制的理论计算,认为基体与析出物之间的剪切模量差异是造成基体强化的主要原因。XRD Rietveld精修和第一性原理晶格常数、混合能计算结果表明,随着纳米富Cu相的不断析出,基体的晶格参数不断减小,基体的微观应变和位错密度亦呈下降趋势,并且由于Ni、Al元素的共添加,延缓了位错密度趋于稳定的时间。