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TRIP(Transformation Induced Plasticity)效应指相变诱发塑性,而TWIP(Twinning Induced Plasticity)效应指孪生诱发塑性,一般地,可以将具有TRIP效应或TWIP效应的钢称为TRIP钢或TWIP钢。近年来,TRIP/TWIP钢由于优异的综合力学性能和丰富的组织结构演变受到研究者的广泛关注,也成为汽车生产材料的有力竞争者。本文主要以含锰TRIP/TWIP钢为研究对象,采用透射电子显微镜(TEM)、X-射线衍射技术(XRD)、电子背散射衍射技术(EBSD)等表征手段,并结合单轴拉伸、硬度测试和夏比冲击试验,重点研究了晶粒尺寸、形变方式、形变温度等对Fe-20/25/29Mn-3Al-3Si系TRIP/TWIP钢形变机制的影响,探讨了形变组织及其与力学性能之间的关系,并归纳总结了这类钢的强韧化机理。在理解该类TRIP/TWIP钢强韧化机理的基础上,采用表面机械研磨处理(SMGT)技术强化TRIP/TWIP钢的表面。另外,为了提高TRIP钢的屈服强度和降低成本,本文还研究了一种Fe-12Mn TRIP钢的形变热处理工艺,全文主要结论如下:(1)系统地研究了在不同应变量下Fe-20/25/29Mn-3Al-3Si TRIP/TWIP钢的Hall-Petch关系,并揭示了这类合金的强化机制:随着变形量的增加,主导合金强化的机制由晶界强化转变为晶内强化,而晶内强化一般以马氏体相变或者形变孪生的方式进行。(2)TEM结果表明Fe-20/25/29Mn-3Al-3Si钢在变形的初始阶段,晶界附近均出现了高密度位错和层错,随着变形的进行,这类钢的晶粒内部发生马氏体相变或孪生,马氏体相变和孪生产物在变形过程中不断切割晶粒和积累位错,成为三种高锰钢晶内不断强化和具有高应变硬化能力的主要原因。(3)表征了Fe-29Mn-3Al-3Si TWIP钢中形变孪晶界的缺陷结构,并揭示了形变孪晶界的强韧化机制:平行于孪晶界的Shockley分位错滑移极大地促进了合金的塑性,而孪晶界与位错/层错的相互作用,存储了大量位错,极大地提高了合金的应变硬化能力。(4)形变孪晶具有较高的热稳定性。透射电镜分析表明形变孪晶在加热条件下的退化机制有三种,分别为扩展Σ3{112}非共格孪晶界的移动、位错分解和再结晶。其中,扩展Σ3{112}非共格孪晶界的移动是形变孪晶退化最有效的机制。(5)发现了Fe-25Mn-3Al-3Si钢的冲击韧性随着晶粒尺寸增大而升高的现象,并且解释了这种与传统合金“细化晶粒提高韧性”规律相反的原因,即晶粒粗化促进了形变孪生和相变。基于微结构表征和热力学计算,揭示了粗晶试样随着温度变化的冲击变形机制:在液氮到200℃范围内,随着温度的升高,主要变形机制依次为γ-奥氏体→ε-马氏体→ε-孪晶、γ-奥氏体→ε-马氏体→α′-马氏体、γ-奥氏体→γ-孪晶。(6)通过表面机械研磨处理在Fe-20Mn-3Al-3Si钢表面制备了梯度纳米孪晶层,这种梯度结构包括最表面的纳米晶层、次表层的纳米孪晶层和心部的粗晶基体,并揭示了SMGT高应变速率变形促进孪生而抑制马氏体相变的现象。(7)在一种Fe-12Mn TRIP钢中通过冷轧+两相区退火+时效处理的形变热处理工艺制备了由超细晶、Laves相和纳米析出相组成的复相组织。这种复相组织钢具有高热稳定性和优异的综合力学性能,其屈服强度、抗拉强度、断后延伸率分别达到0.9 GPa、1.2 GPa、25.4%。