低碳微合金钢具有高强度、高韧性和优异的焊接性能而被广泛应用。这类钢采用低碳成分设计保证良好的焊接性能,同时添加Nb、V、Ti和Mo等一种或多种微合金元素,主要通过析出强化来提高实验钢的强度。在合金元素添加量相同的条件下,析出强化增量主要受析出相的尺寸控制。析出相尺寸的主要影响因素包括:析出相的形核驱动力、析出相与基体之间的界面能以及析出相的形核质点。本文通过调整控轧控冷的工艺参数获得高密度的纳米级析出物,并使其均匀地分布在预期组织中,在合金元素添加量较少的情况下,显著地提高了实验钢的强度;同时,对不同工艺条件下所得的纳米级析出相的形核机制及晶体学特征展开研究,论文的主要研究工作和创新性成果如下:（1）微合金碳化物与铁碳化物共强化的研究在Q345钢成分的基础上添加质量分数为0.08%的Ti,可将实验钢强度提高至650 MPa。利用无损电解技术对钢中析出物进行分离,然后采用X射线小角散射（SAXS）和中子小角散射（SANS）对分离后的析出物进行定性和定量分析。发现钢中存在两种类型析出相:TiC和Fe3C。析出强化的贡献量可达350 MPa,其中纳米级Fe3C析出强化的贡献量占总析出强化量的2/3。基于电解后所计算的析出强化值,认为屈服强度等于细晶强化、固溶强化和析出强化的加和值。（2）相间析出规律的研究研究了等温温度对实验钢相间析出规律的影响,发现随着等温温度的降低,相间析出碳化物所在面的面间距、相间析出碳化物所在面内的碳化物间距及相间析出碳化物尺寸均减小;同时,随着等温温度的降低,相间析出形态逐渐由弯曲型（CIP）向平直型（PIP）转变。相间析出所在面与珠光体中铁素体与渗碳体的界面平行,在靠近珠光体区域相间析出呈现CIP型,在远离珠光体区域,相间析出形态逐渐转变为PIP型。对相间析出形成机制进行分析,认为相间析出的形成机制与珠光体的形成机制相同,均为共析分解机制。（3）复合碳化物析出动力学及形核机制的研究利用高分辨透射电镜（HRTEM）对650℃等温不同时间的Nb-V微合金钢中析出物成分及晶格常数进行研究,发现随着等温时间的增加,析出物中V原子的比例逐渐增大,晶格常数逐渐减小。根据Avrami方程对析出物的析出-温度-时间（PTT）曲线进行计算,发现析出物的PTT曲线具有“C曲线”特征,最佳析出温度约650℃。随着V原子逐渐取代析出物中的Nb,降低了析出物与基体之间的错配度,促进了析出物形核。利用三维原子探针（3-DAP）和HRTEM对Nb-V微合金钢中复合碳化物形核机制进行研究,发现其形核机制主要为置换型,即NbC晶胞首先形成,然后V原子逐渐进入NbC晶胞中置换其中的Nb原子,从而降低了析出物与基体之间的界面能,提高了析出物的形核率和稳定性。（4）析出相晶体学特征的研究利用HRTEM对经静态等温淬火工艺处理后Nb-Ti实验钢中的析出相与铁素体基体之间的取向关系进行研究。发现析出相与铁素体基体之间符合除Baker-Nutting（BN）关系之外的另一种取向关系,即[110]MC//[101]ferrite和（002）MC//（101）α。利用取向转换矩阵唯一性确认其为一种新的取向关系,命名为NEU-OR。根据半共格界面错配位错理论,计算了当析出物与铁素体之间符合不同的取向关系时,析出物的形状因子和析出物与铁素体基体之间的界面能。当析出物与铁素体基体之间符合BN或者NEU-OR时,其形状因子远大于1,呈现盘形;当析出物与铁素体基体之间符合其余取向关系时,其形状因子接近于1,呈类球形。静态等温过程中形成的相间析出碳化物与铁素体基体之间严格符合NEU-OR和BN取向关系,且符合NEU-OR的碳化物与铁素体基体之间界面能低于符合BN取向关系的碳化物与铁素体基体之间的界面能。