低合金高强钢焊缝金属中出现大量的针状铁素体组织时，焊缝金属具有较高的强度和良好的低温冲击韧性。针对这一特点，本文对低合金高强钢焊缝金属的一次凝固组织、奥氏体晶粒尺寸、各种固态相变组织的比例、针状铁素体组织的二次热行为和耐腐蚀性问题，进行了较为系统的研究。　　利用二维元胞自动机(Cellular Automata，CA)方法模拟了低合金钢焊缝凝固组织。该方法将所研究区域离散为有限多个尺寸相同、排列规则的元胞网格，每个元胞又具有数目确定的邻居胞。开始时每一个元胞具有相同的温度和浓度值，并赋予它们尽可能多的状态数。随着温度的下降，焊缝熔合区内的元胞开始了形核与长大，并成为现成的固液界面，在固液界面的元胞具有生长或熔化的状态。凝固比例增大的元胞将会向邻胞释放潜热并向液态邻胞排出溶质。每一个元胞状态数的变化不仅取决于本身所经受的条件，还取决于其邻居胞状态的改变，这些改变在每一时间步内都得到更新，并成为下一个时间步演化的初始值。这样，元胞及其邻居胞局部之间相互作用、相互影响并通过一定的规则变化实现了过程的模拟。本文不仅仅考虑了凝固过程中传热、传质、固液界面的曲率效应，还综合了焊接工艺参数、焊缝晶粒外延结晶的择优长大及熔合区内的概率形成核等各种因素的作用，建立了低合金钢焊缝凝固组织模拟的二维元胞自动机模型。该模型直接从焊接冶金的物理背景出发，反映焊缝金属凝固时焊接熔池诸多物理量的变化，模拟了低合金钢焊缝凝固组织，模拟结果较好地反映了焊接凝固的特征，所编制的软件是成功的。结果表明，元胞自动机方法为焊缝凝固组织的模拟探索了一条新的途径。　　计算了低合金钢焊缝中奥氏体晶粒大小。从晶粒长大的基本理论出发，考虑了焊缝金属合金元素和非金属夹杂物质点对奥氏体晶粒长大的影响，探索性的采用碳原子的扩散速度表征奥氏体晶粒的长大速度，建立了一个连续冷却条件下、基于焊缝当量碳扩散的低合金钢焊缝金属奥氏体晶粒尺寸计算的模型。所建模型计算结果比现有计算模型更准确地符合于试验结果，并且当焊缝金属中合金元素（Mn、Si除外）增多时，模型计算结果更加接近测量值。　　计算了低合金钢焊缝金属各种显微组织所占比例。讨论了先共析铁素体组织、侧板条组织以及针状铁素体组织的形成和长大机制，充分考虑了合金元素和夹杂物质点对各种组织转变的影响，建立了一个适合不同焊接规范和低合金钢种焊缝金属各种组织所占比例的计算模型。通过对C-Mn-Si钢、C-Mn-Ni-Mo钢和C-Mn-Ti钢焊缝组织的计算模拟结果和实际测量结果的比较表明，所建立的模型计算值与实际测量值符合较好。利用该计算模型可以较准确的预测低合金钢焊缝中各种组织所占的比例。　　全面阐述了X70管线钢多道焊焊缝金属受到二次加热的过热区中的各种组织，尤其是针状铁素体组织的变化。研究发现，经历了焊接热循环作用后的焊缝过热区内可再次析出含量较多并仍然细小的针状铁素体，同时块状铁素体含量有所增加，而先共析铁素体几乎不再出现，本文对此进行了分析并给予了合理解释。本文着重讨论了二次针状铁素体的再次析出的特点及共感形核的原因和机制。　　详细地探讨了针状铁素体焊缝金属的腐蚀行为。针状铁素体腐蚀倾向较大，但其腐蚀速度不高，在针状铁素体焊缝金属中不能把焊缝腐蚀速率快慢与针状铁素体的耐腐蚀能力等价起来。研究表明，对于不同低合金钢的焊接接头，当焊缝金属中针状铁素体含量较多时，其热影响区腐蚀加剧，焊接接头腐蚀失重增加，从而影响了焊接接头的耐腐蚀性。这一结论对低合金钢在腐蚀介质中的应用有一定的借鉴意义。