钢铁工业中发展最迅速、最富有活力的钢种是低合金高强度钢,特别是屈服强度在500MPa以下的铁素体／珠光体型钢,该类型钢具备优良的强韧性能,是目前应用最广泛的钢种之一。目前生产铁素体/珠光体型钢的主要途径是在C-Mn钢或C-Mn-Si钢基础上添加微量合金元素铌、钒、钛等,通过TMCP (ThermoMechanical Control Process)工艺控制微合金碳氮化合物的析出和过冷奥氏体的相变行为,以达到优化组织、提高强韧性的目的。国内外研究者长期致力于提升铁素体/珠光体型钢板内部质量的研究,所谓钢板内部质量的好坏,实际上是指钢板内部组织的均匀性和完整性。就一定厚度的钢板而言,无论工艺如何改变,都将出现厚度方向从表层到心部的组织不一致,诸如：晶粒尺寸差异、铁素体形态差异及析出相分布和尺寸差异等。另外,如果钢板的成分设计不合理或工艺控制不当,就可能导致钢板内部出现非铁素体／珠光体组织及其它类型缺陷。通过调研国内几家大型钢铁生产企业及工程机械和煤机制造企业,并查阅文献,发现部分批次的铁素体/珠光体型钢板存在内部质量缺陷,尤以分层缺陷最为突出。国内外学者、钢铁生产企业和用户均已发现钢板中的分层缺陷及其对力学性能的不良影响。但是,目前对分层缺陷的成因仍无统一认识,特别是有关连铸坯中心偏析是如何影响热轧钢板分层缺陷这一重要问题尚无深入阐述。对照研究有分层缺陷和无分层缺陷的钢板,发现有分层缺陷钢板的Mn元素含量普遍偏高,另外,部分企业生产的钢板仍然存在其它微合金元素使用过量的情况。针对以上两类问题,本文优化了合金成分设计、TMCP工艺和连铸工艺；采用透射电子显微镜(TEM)、扫描俄歇微探针(SAM)、金属原位分析仪及力学性能检测等手段,分析了实验室试轧和工业化生产的钢板微观组织和力学性能。研究了连铸坯中心偏析与热轧钢板分层缺陷的继承性关系,并从热力学和动力学方面揭示了钢板中异常偏析带的形成机理。在此基础上得出各因素(包括：合金成分、连铸工艺、TMCP工艺及后期热处理)对钢板内部质量的影响规律。主要研究内容和结论如下：1.通过研究C、Mn、Si、Nb、V、Ti等合金元素在钢中的作用,得出了合金成分减量后的铁素体/珠光体型钢板成分设计。本试验钢以C、Mn、Si作为基本元素,添加适量的Nb、V、Ti微合金元素,以及微量的B元素并尽量降低P、S等有害元素含量,与目前国内市场商用钢种的合金成分对比得出,本试验钢的合金元素加入量明显低于同级别商用钢种。用Gleeble热／力模拟方法测定了试验钢的再结晶曲线和CCT曲线等,优化了TMCP工艺参数,试验钢的奥氏体化温度为1200℃,粗轧阶段初期前4道次设定压下量8.5mm以下以增大再结晶晶粒的体积分数,末道次采取较大压下量以细化奥氏体晶粒,终轧温度控制在1020℃；精轧阶段开轧温度控制在900℃以下,避开900℃～1000℃部分再结晶温度区间,终轧温度控制在830～850℃；冷却速度根据钢板厚度控制在5～10℃/s,终冷温度控制在670～690℃,控冷后直接空冷至室温。设计钢板的工业化试验表明：新工艺流程顺畅,合金成本低于目前同级别的商用钢种,可以实现批量化生产。2.通过热力学与动力学计算,结合TEM观察和EDS能谱分析研究了钢板中微合金碳氮化物在TMCP工艺过程中的固溶和析出规律,从细晶强化、固溶强化和析出强化等方面分析了钢板的强韧化机理。结果表明,微合金碳氮化物主要有TiN、VC和Nb(C,N),TiN的固溶和析出温度较高,形态经历了由球形向方形的长大过程,常与VC和Nb(C,N)复合析出,可以有效阻止奥氏体化过程及粗轧再结晶后的晶粒长大；VC呈圆片状,主要是在γ→α转变后的冷却过程中于铁素体晶粒内部共格随机析出的,引起钢板的析出强化；Nb(C,N)呈圆片状,尺寸约10nm,主要在晶界和位错附近形核,并在γ→α转变过程中析出,可以有效钉扎位错运动,强烈阻止形变奥氏体再结晶,具有一定的晶粒细化效果。按照位错绕过析出相的Orowan机制,计算得到析出强化产生的强度增量为143.9MPa,细晶强化产生的强度增量为261.9MPa,固溶强化产生的强度增量为92MPa,设计钢板的计算强度值为497.8MPa。由于细晶强化产生的强化效果超过总强度的40%,因此设计钢板具有良好的塑韧性能。3.用金属原位分析仪等研究了连铸坯不同位置的化学成分分布,采取理论计算和统计分析的方法探讨了钢水过热度、二冷水强度、拉速、电磁搅拌及轻压下工艺与连铸坯内部质量和厚度方向组织之间的关系。结果表明,部分批次连铸坯中心处存在明显的C、Mn、S和P元素偏析,Gleeble热／力模拟试验表明,连铸坯热变形后在原中心偏析区出现了带状分布的贝氏体组织。TEM观察发现由连铸坯表层至中心处硫化物夹杂量逐渐增加,且在中心出现聚集分布,这些都与连铸坯中心处Mn偏析有关。控制合理的连铸工艺参数,将钢水过热度控制在30℃以内,适当增强二冷水强度、合理选择连铸坯拉速、控制电磁搅拌频率、选择适当位置进行适度轻压下等措施可以有效改善连铸坯内部质量。4.用SEM和SAM等观察了工业化生产的钢板表层、1/4厚度和中心厚度处的微观组织,分别在对应厚度处截取薄试样测量局部区域的力学性能,并从热力学和动力学方面揭示异常偏析带的形成机理。结果表明,有分层缺陷钢板的中心处存在粒状贝氏体异常偏析带和一定程度的混晶,同时存在较多的硫化物夹杂,以上三个因素导致钢板出现分层缺陷。研究得出钢板异常偏析带区存在明显的C-Mn元素偏聚,钢板中的Mn偏聚继承自连铸坯的Mn偏析,异常偏析带区贝氏体的形成与连铸坯中心Mn偏析有直接关系。连铸坯中心处C-Mn偏聚形成的Fe-Mn-C原子团有效束缚了原子运动,增加了奥氏体相变时的晶格重构阻力,为贝氏体的形成创造了热力学条件；C-Mn偏聚使连铸坯中心处C曲线中珠光体转变曲线和贝氏体转变曲线发生相对位移,致使原来的C曲线形状变为河湾形状,为较低冷速下该区域的过冷奥氏体转变为贝氏体创造了动力学条件。有分层缺陷钢板的最佳正火处理工艺为900℃×3min/mm,该正火工艺无法消除Mn元素的偏析,但可以通过扩散降低异常偏析带区的C含量,并使异常偏析带区的贝氏体完全转变为珠光体,同时达到了消除钢板分层缺陷的目的。