海洋平台、桥梁、建筑、机械等工程建设对高强度低合金钢的需求越来越强烈,并且对强度和韧性的要求越来越高,而相变是决定高强度低合金钢性能的关键因素,因此本文针对低碳低合金钢的相变行为及对力学性能的影响展开系统研究。采用组织定量化和可视化的晶体学表征方法研究成分和工艺对组织和性能的影响,从晶体学和热力学角度研究了钢的fcc相向bcc相转变的机理及对力学性能的影响,并以此为依据,提出满足高强度低合金钢强韧化和可焊性的合金设计思路。首先,研究了工艺因素对变体组织的影响,发现孪晶关系变体对V1/V2是大角晶界密度的主要来源,对提高低温冲击韧性具有贡献。工业用高强度特厚板的心部性能低于表面的原因在于形成了粒状贝氏体组织,主要以形成V1/V4和V1/V8等构成小角晶界的变体对为主;而表面形成板条马氏体/贝氏体,具有较高密度的V1/V2变体对和大角晶界。采用降低奥氏体化温度细化奥氏体晶粒,实现了淬火马氏体强度和韧性的提高,研究也表明原奥氏体晶粒从15 μm细化至6.4 μm后,原奥氏体晶粒内的packet单元数目减少,形成了较多平行排列block单元。强韧性的提高不仅与原奥氏体晶粒细化相关,而且还来自于大角晶界密度的提高。通过对含硼钢和不含硼钢连续冷却转变产物的研究,明晰了硬度和大角晶界密度的关系,以及B提高淬透性的方式。当发生马氏体和贝氏体转变时,大角晶界密度越高,硬度越低;而仅发生贝氏体相变时,大角晶界密度越高,硬度越高。含B钢降低低冷速下的相变起始点,提高了相变驱动力和增加了相变产物的大角晶界密度,从而提高了淬透性。从热力学的角度明晰了马氏体转变、板条贝氏体和粒状贝氏体转变的变体选择机理。发现马氏体转变形成高密度V1/V4变体对的原因在于其相变驱动力过大,来不及形成V1/V2变体对来调节相变应变。研究发现,Ms温度与Mf温度之间形成马氏体和贝氏体混合组织;在Ms温度附近的贝氏体转变形成相对最高含量的V1/V2变体对;在Ms温度以上的相变形成板条贝氏体与粒状贝氏体的混合组织,在更高的温度将形成粒状贝氏体组织。总结出形成V1/V2的两大有利条件是适合的相变驱动力和碳的扩散。基于变体选择的热力学依据,提出高强度低合金钢的合金设计思路和方法。通过降低碳含量和优化合金元素,不仅可以实现马氏体组织的强化,还可以实现马氏体基体组织的进一步韧化。这是因为合金元素优化降低了马氏体相变驱动力,以促使更多的V1/V2变体对的产生来实现的。这一方法有助于提高钢的可焊接性及焊接热影响区的性能。