随着全球范围内的能源紧张和环境恶化,减重、节能、环保和提高安全性已成为现在汽车工业的主要发展趋势。汽车制造商对车用钢铁材料的性能、成本和轻量化也提出了更高的要求。美国科罗拉多矿业学院的Speer教授等人提出了一种制备超高性能汽车用钢的工艺——淬火配分(Quenching and Partitioning, Q&P)。该工艺最早以低合金钢为研究对象,通过热处理工艺的设计,使钢铁材料的最终室温组织为板条马氏体和富碳的残余奥氏体。利用残余奥氏体的相变诱发塑性效应,实现提高钢材强度的同时而不降低其塑性的目的。为了进一步研究合金成分和微观组织对Q&P钢性能的影响,本文设计了四种不同成分的低碳Si-Mn钢,通过单一或者复合添加Nb、Ni、Cr等元素来实现实验钢组织的细化和析出强化,进一步提高钢的强度。在Q&P工艺的基础之上,通过改变热处理工艺,得到不同组织配比、不同残余奥氏体含量的实验钢。通过对实验微观组织和力学性能的分析,揭示了实验钢成分和热处理工艺对Q&P钢组织演变的影响规律,同时研究了不同组织所带来的微观变形机制的不同。主要的研究内容和结果如下：(1)设计了四种不同Nb、Ni、Cr含量的低碳Si-Mn基Q&P钢。利用Speer教授等人提出的“约束碳准平衡”(CCE)模型,对室温下实验钢中的残余奥氏体含量进行理论预测,从而提出合理的Q&P工艺参数。实验结果表明,普通的低碳Si-Mn基Q&P钢呈现了高强度和良好塑性的结合,其抗拉强度均达到1000MPa以上,对应的延伸率和强塑积分别为15%和16GPa%。而经过Nb微合金化的低碳Si-Mn基Q&P钢,其抗拉强度超过1100MPa(最高可达1220MPa),对应的延伸率和强塑积分别为18%和20GPa%,性能远远高于不含微合金元素的低碳Si-Mn基Q&P钢。但是在低碳Q&P钢中Nb的添加并不是越多越好,过多的Nb含量虽然能够提高实验钢的强度,但由于会降低钢中残余奥氏体含量而最终导致塑性和强塑积的下降。(2)Cr和Ni的添加能够显著提高低碳Q&P钢的抗拉强度(约为400～500MPa),但会导致延伸率的小幅度减少(约为2-5%)。实验钢的显微组织观察表明,Cr和Ni的添加能够明显地细化实验钢组织,减小马氏体领域尺寸。TEM观察结果显示,Cr和Ni的添加导致钢中出现较多的马氏体孪晶和Cr的碳化物析出颗粒。由于固溶的Cr和Ni能够提高奥氏体的稳定性,而Cr的析出却降低奥氏体中的碳含量,因此,两种实验钢中的残余奥氏体含量变化不大。(3)系统的研究了配分后的冷却方式对实验钢组织性能的影响。实验证明,配分后空冷处理有利于无碳化物贝氏体的产生,使未转变的奥氏体的富碳程度提高,提高了室温下钢中的残余奥氏体含量。配分后水冷的实验钢组织为板条马氏体+残余奥氏体；而配分后空冷的实验钢组织为板条马氏体+残余奥氏体+无碳化物贝氏体。与水冷的实验钢相比,空冷的实验钢抗拉强度下降约为200MPa,而总延伸率的提高将近一倍,综合力学性能得到显著提高。由于钢中残余奥氏体含量的提高,空冷的实验钢表现出更优异的加工硬化能力。(4)对实验钢进行了不同退火温度的Q&P工艺处理,通过扫描电镜、电子探针以及拉伸性能测试,对不同退火温度下实验钢的组织和性能进行了系统的研究,并采用Hollomon公式对实验钢的加工硬化行为进行对比分析。实验结果显示,经两相区(部分奥氏体化)退火Q&P工艺处理后,实验钢的组织为铁素体、马氏体和残余奥氏体。且在两相区退火过程中,钢中的C和Mn元素向奥氏体的富集提高了奥氏体的稳定性,有利于提高室温下钢中残余奥氏体的含量。两相区退火虽然使实验钢的强度降低,但在很大程度上改善了低碳Q&P钢的塑性,其最高延伸率可达24%以上,强塑积远远超过完全奥氏体化退火的实验钢。(5)利用马氏体时效钢的循环相变理论,对实验钢进行预先的完全奥氏体化淬火处理,研制出具有高强度和高延伸率的Q&Q-P钢。研究结果显示,经Q&Q-P和两相区Q&P工艺处理后,实验钢的基体组织均为铁素体加板条马氏体。不同的是,Q&Q-P钢中的板条马氏体领域尺寸较两相区Q&P钢的有所减小,且铁素体不是呈块状,而是呈条状。经Q&Q-P处理的实验钢,其残余奥氏体含量较两相区Q&P处理的实验钢有显著的提高。且经Q&Q-P处理的实验钢的强度较两相区Q&P处理的也有所提高,最高强度可达1150MPa,且延伸率均在20%以上,其最高强塑积可达到30GPa%。在多种Q&P处理的微合金化低碳Si-Mn基Q&P钢中凸显出优异的综合性能。(6)采用XRD实验对不同应变条件下的低碳Si-Mn基Q&P钢进行了测定,并结合对变形过程中实验钢瞬时加工硬化指数的分析,证实了实验钢中残余奥氏体的TRIP效应。通过对不同热处理工艺下残余奥氏体的含量以及变形过程中残余奥氏体TRIP效应的研究发现,低碳Si-Mn基Q&P钢中残余奥氏体的含量取决于残余奥氏体的成分、尺寸和形貌。而在变形过程中残余奥氏体的TRIP效应除了取决于上述因素外,还取决于实验钢的基体组织。在以马氏体为基体组织的实验钢中,当应变较小时,钢中残余奥氏体就开始大量地向马氏体转变,导致实验钢的延伸率不高。而在以铁素体和马氏体混合组织为基体的实验钢中,由于铁素体在变形早期承受了大量变形,延缓了应力集中,推迟了实验钢中残余奥氏体的TRIP效应。因此,在应变较大时,仍有残余奥氏体发生马氏体相变,提高了实验钢的延伸率。