为了满足海洋工程用钢装备轻量化、高服役安全性以及节能减排的要求,应发展具有高强度、高韧性、高塑性和良好焊接性能等高性能及高品质海洋工程用钢。本文针对海洋工程用钢在连铸、轧钢、热处理过程中所存在的宏观、微观成分、相结构等不均质特性,采用热处理手段,通过微区成分和显微组织调控,实现了力学性能优化。本文着重揭示了亚临界热处理过程中合金元素配分对亚稳奥氏体稳定性的影响,以及M/A组元分解,调控异常组织改善塑性与韧性的技术和原理;另一方面还研究了合金元素在逆转奥氏体中配分所形成的成分富集对再加热过程中奥氏体形核率的影响规律,探索了调质工艺细化奥氏体晶粒的原理与机制。首先,针对C-Mn低合金钢存在的连铸坯偏析所造成的带状组织,研究·了通过多步亚临界配分处理,形成了 C、Mn富集的弥散稳定的残余奥氏体,从而极大改善C-Mn低合金钢延伸率和韧性,使其能够顺利制备具有优良膨胀性能的电阻焊接(ERW)钢管,满足深海石油开采用膨胀套管的性能要求。实验结果显示实验钢热轧板中板坯偏析所造成的组织呈不连续的带状结构,这些带状组织中主要富集了 C和Mn元素,经ERW制管后在焊接区形成明显的流变偏析带,恶化了焊缝的冲击韧性和延伸率。经过正火+两相区退火+临界区回火热处理工艺可以把不连续的带状组织转变为热稳定性良好的残余奥氏体。通过这些残余奥氏体的相变诱导塑性机制,可以使C-Mn低合金钢ERW膨胀套管的焊缝性能得到明显提升,钢管的均匀延伸率由15%提升到25%以上。其次,针对采用TMCP和驰豫工艺生产的460MPa级60mm厚铁素体+贝氏体多相组织钢板,由于特厚钢板冷却能力不足,钢板心部(1/2t)为粒状贝氏体组织,且存在粗大的M/A组元,一定程度上恶化了钢板1/2t的低温韧性。针对这一问题,本文研究了通过一步亚临界回火工艺,使多相组织钢板1/2t M/A部分奥氏体化,利用铁素体中合金元素向逆转奥氏体中发生配分的原理,使山M/A回转的奥氏体合金成分得到进一步富集,从而能够得到6%(体积分数)的稳定残余奥氏体,使得厚钢板1/2t低温韧性得到提高。此外,针对利用调质工艺生产的超高强特厚钢板(690MPa,100mm厚)在表面到四分之一(1/4t)板厚的范围内形成了板条马氏体/贝氏体组织,而1/2t则由少量的板条贝氏体和大量的粒状贝氏体构成,粒状贝氏体中有尺寸较大的M/A组元,因此1/2t试样的低温韧性很低的问题。针对这一问题,本文首先研究了通过临界退火获得合金元素富集的马氏体和合金元素贫化的临界铁素体,从而增加厚钢板1/2t非均质相界面密度;然后利用这些成分不均匀化学界面提高在再加热完全奥氏体化过程中的奥氏体形核率,从而细化奥氏体,并且提高淬火过程相变驱动力,降低了 1/2t M/A的体积分数和尺寸,全面提升690MPa级100mm厚钢板的韧性。为了揭示获得超高强、高韧、高塑性能的机制,本文对奥氏体化行为以及冷却过程中的相变行为进行了重点研究。在两相区(α+γ)退火热处理过程中,原奥氏体晶界以及晶内板条组织之间获得不同形貌的逆转组织,晶界上的逆转组织呈等轴状,而板条之间的逆转组织呈长条状。通过晶体学取向信息表征发现,板条之间的逆转组织与原奥氏体晶粒之间存在K-S关系,这些长条状逆转奥氏体在升温过程中不断粗化、合并,并通过记忆效应重构原奥氏体晶粒。而等轴逆转组织与相邻的原奥氏体晶粒之间具有大角度取向差的关系,并且与其中一个原奥氏体晶粒存在近似K-S关系。晶界上的等轴逆转奥氏体可以有效细化原奥氏体晶粒。研究发现临界退火+完全奥氏体化淬火+临界回火的热处理可以在实验钢中获得有效晶粒尺寸细小的贝氏体或马氏体组织。因为临界退火处理获得了合金元素富集的马氏体(M)和合金元素贫化的临界铁素体(IF)组织。马氏体转变为奥氏体的相变自由能增大,促进了等轴逆转奥氏体在原奥氏体晶界和晶内进行形核和长大,最终细化原奥氏体晶粒。本研究中的多步热处理使板条间渗碳体薄膜或残余奥氏体薄膜取代了热轧板中的M/A组元,从而使实验钢在整板厚度上获得了超高强度和韧性,同时,塑性也得到极大提高。