中厚板是支撑国民经济发展的重要钢铁材料,大跨度建筑工程用钢、大型船舶用钢、海洋工程用钢及重型机械用钢等领域对中厚板的厚度和性能需求不断增加。而目前中厚板生产存在变形渗透性不足、轧制待温时间过长影响轧制效率等问题。为此,本文依托于“十三五”国家重点研发计划项目“高强度、大规格、易焊接海洋工程用钢及应用”,基于差温轧制技术,研究中厚板表层细晶机理、厚向组织演变、力学性能及差温轧制相变模型。本文的主要研究工作及成果如下:（1）研究测定了实验钢的连续冷却相转变行为及差温轧制工艺下钢板表层组织的冷却-返温往复相变细晶行为,掌握不同温度下的相组成规律,从而通过控制变形温度来优化晶粒尺寸及组织构成。（2）研究了差温轧制工艺下钢板厚向组织演变规律及力学性能。相比于常规工艺,差温轧制工艺能够促进钢板厚向组织细化,减少粒状贝氏体组织的生成,实验钢铁素体含量从表层到芯部均大幅提升。差温轧制可有效促进残余奥氏体的生成,优化M-A岛的形态,减小M-A岛的尺寸,降低织构密度。差温轧制工艺的厚向延伸率高于常规轧制工艺,差温轧制工艺芯部和1/4厚度处抗拉强度为582 MPa和570 MPa,高于常规工艺。发现差温轧制工艺能够提升厚向组织的大角度晶界比例,提升实验钢的冲击韧性。（3）研究获得了差温轧制工艺下铁碳合金的相变模型及析出行为,通过差温轧制工艺获得了更高析出密度的纳米渗碳体,并分别从热力学的角度和Fe-C相图的角度阐释了差温轧制条件下两相界面中奥氏体侧与铁素体侧碳扩散的驱动力与规律以及奥氏体晶粒中不同距离碳浓度分配机理。结果表明,相界处奥氏体侧的分解驱动力最大,实验钢内部奥氏体的分解驱动力次之,而相界处铁素体侧的分解驱动力过低,难以进行分解。发现常规工艺在正常的碳浓度下晶粒边界往内部析出逐渐减少,差温轧制工艺由于细晶的作用,晶粒内部具有更高的碳浓度。（4）使用道次间冷却装置对终轧厚度为30 mm和120 mm的厚钢板进行了差温轧制工业化试制,改善了厚度方向内部质量和表面质量,同时提高厚板生产效率,获得了良好的工艺稳定性。