随着我国国民经济的快速发展,资源和能源的消耗量持续增加,环境保护问题日趋严峻,轻量化已成为装备制造业发展的必然趋势。材料的轻量化作为工程机械减重降耗的重要手段之一,对工程机械用钢提出了更高的要求。提高强度是实现材料轻量化的关键。目前,工程机械行业使用的高强结构钢的屈服强度主要在690～960 MPa之间,其显微组织通常为热轧贝氏体或回火索氏体。1300 MPa级结构钢是目前世界上屈服强度最高的工程机械用结构钢,相关研究及应用在国内仍处于空白。通常情况下,伴随着强度的升高,钢材的塑性和韧性会下降,超高强度钢铁材料的低塑性和低韧性在一定程度上限制了其进一步发展,成为其工业化应用的瓶颈问题之一。此外,超高强度结构钢的焊接性能不足是制约其推广应用的另一关键问题,缺乏相关的系统研究。因此,开发高强度、高韧性、易成形和可焊接的工程机械用结构钢的需求十分迫切。本文系统研究了化学成分、轧制、轧后冷却和热处理工艺对1300 MPa级超高强结构钢强韧性的影响规律,采用热模拟和实物焊接相结合的方法研究了焊接接头的裂纹敏感性、焊接热输入和后热温度对焊接接头组织性能的影响规律。论文的主要工作及研究成果如下:（1）提出了以控制碳含量及碳当量为基础的Nb-V微合金钢成分体系。采用位错型板条马氏体为基体组织,协同细化晶粒+纳米沉淀析出的复合强韧化机制,开发出屈服强度达到1300 MPa,同时具有良好低温冲击韧性和塑性成形性能的超高强工程机械用结构钢,并实现了工业化生产。工业生产钢板的屈服强度（Rp0.2）为1350MPa,抗拉强度（Rm）为1580MPa,断后伸长率（A50）为11%,半尺寸试样-40℃的冲击吸收功达到50 J,韧脆转变温度低至-100℃。折弯半径5倍板厚,钢板180°冷弯未开裂。（2）研究了奥氏体化温度和冷却速率对马氏体相变动力学的影响。结果表明,随着奥氏体化温度降低,马氏体相变体激活能增加,马氏体相变温度（Ms）下降。马氏体相变速率随相变体积分数的增加先升高后降低,大约在20%～30%相变体积分数时（与奥氏体化温度和冷却速率有关）相变速率达到峰值。奥氏体化温度对相变速率的影响与冷却速率有关。当冷却速率较小时,细晶粒奥氏体具有更高的马氏体峰值相变速率,粗晶粒奥氏体的高相变速率能够保持相对较长的时间;随着冷却速率增大,细晶粒奥氏体的峰值相变速率下降,不同奥氏体化温度下的相变速率趋于一致。（3）建立了实验钢奥氏体晶粒尺寸与加热温度（940～1250℃）间的数学表达式:D2=7.12×1013 exp（-2.78× 105/RT）,当加热温度高于1150℃时,奥氏体晶粒显著长大。研究了轧制和冷却工艺对再加热奥氏体晶粒尺寸的影响,采用两阶段控制轧制+轧后超快冷工艺可得到尺寸更加细小的析出粒子,这些纳米级的粒子能够钉扎奥氏体晶界,有利于细化再加热奥氏体晶粒。研究了轧态实验钢再加热奥氏体平均晶粒尺寸和尺寸均匀性与奥氏体化温度的关系。结果表明,晶粒尺寸的方差系数随奥氏体化温度增加先减小后增大。提出了 Nb-V微合金化-加热-轧制-冷却-热处理的全流程一体化控制工艺,可将淬火态实验钢的原始奥氏体平均晶粒尺寸减小至4.4μm。（4）分析了实验钢焊接接头的冷裂纹敏感性,研究了焊接热影响区组织性能的演变规律。实验钢的碳当量（CEV）为0.64%,焊接冷裂纹敏感系数（Pcm）为0.35%,表明实验钢的焊接接头具有一定的冷裂倾向。斜Y型坡口焊接试验结果表明,当预热温度不低于100℃时,可避免焊接接头出现冷裂纹。M-A组元是造成实验钢热影响区冲击韧性下降的主要原因。在单道次焊接热循环时,随着焊接热输入的增加,粗晶热影响区（CGHAZ）中M-A组元的尺寸逐渐增大,临界热影响区（ICHAZ）中的M-A组元数量增多,降低临界断裂应力,促进微裂纹形核。在原始奥氏体晶界上分布的链状M-A组元弱化晶界,使晶界失去阻碍裂纹扩展的能力,并可能成为裂纹的形核源,是造成临界粗晶热影响区（ICCGHAZ）冲击韧性下降的直接原因。提高ICCGHAZ的二次热循环峰值温度,可促使逆转变奥氏体在晶内形核,得到分解的块状M-A组元,有利于提高冲击韧性。（5）揭示了焊缝的显微组织和夹杂物尺寸随焊接热输入的变化规律。焊缝的显微组织主要是针状铁素体,通常在焊缝中的夹杂物处形核,随着焊接热输入的增大,焊缝组织中贝氏体针铁的比例逐渐增大,当热输入增加到18.5 kJ/cm时,此时焊缝组织中贝氏体针铁含量减少,魏氏组织针铁的数量增多。焊缝中夹杂物平均尺寸随热输入的增加而增大,夹杂物平均尺寸与焊接热输入符合如下关系:dv≈ 0.24（2.137ηE）1/3。（6）研究了焊接热输入和后热处理温度对实验钢焊接接头组织性能的影响规律。结果表明,随着焊接热输入的增大,热影响区的最高硬度逐渐下降,直至与母材硬度相近,硬化现象逐渐消失。与此同时,热影响区的软化程度增加,软化区域扩大。当热输入由7.5kJ/cm增加到18.5 kJ/cm时,焊接接头的强度下降了 113 MPa;焊缝和热影响区的冲击吸收功均随着热输入的增大呈现出先增加后降低的趋势。对焊接接头采取不高于300℃C的后热处理,焊缝的显微组织未发生明显变化,仍以针状铁素体为主+少量板条贝氏体;CGHAZ、FGHAZ中的马氏体组织发生回火,析出ε碳化物,降低了组织应力和热应力;ICHAZ和IC CGHAZ中的块状马氏体发生分解,降低硬度,减小在外加载荷作用下与基体间的应力集中以及对晶界的损害,从而提高焊接接头的强韧性。采用100℃预热、10.5～14.5 kJ/cm的焊接热输入和300℃后热处理的焊接工艺,实验钢可获得强韧性良好的焊接接头。