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现代汽车对轻量化、节能和安全等提出越来越高的要求,孪生诱导塑性（TWinning Induced Plasticity,TWIP）钢是一种集高强度、高塑性和高应变硬化性能于一体的新一代汽车用钢,其强塑积可达50 GPa·%以上。汽车用钢不仅需要高强度以维持整体车身重量和高断裂韧性以实现结构稳定性,而且还需要高抗冲击性以吸收车身碰撞时的冲击能量,亟需掌握TWIP钢动态加载条件下的力学行为及其微结构演化特征。为此,本文在宏微观实验基础上,发展了离散位错动力学模型、离散位错动力学与有限元耦合的跨尺度模型及滑移-孪生联合的动态本构模型,深入研究了 TWIP钢应变率相关力学行为及微结构演化规律。本文主要研究工作如下:设计适用于分离式霍普金森装置的可控应变夹具,实现了设定应变值的TWIP钢动态加载实验。结合准静态拉伸试验、扫描电子显微镜和电子背散射衍射技术,研究了 TWIP钢在0.001-3000 s-1的大应变率范围、间断应变为0.1、0.2、0.3及断裂的宏观力学行为与微观结构特征,分析了动、静态加载下相同应变阶段的宏观变形特征与微观机制。结果表明,TWIP钢动态加载条件下的流动应力明显高于准静态,屈服阶段流动应力的应变率敏感性在100 s-1左右发生转变,且在变形后期出现负的应变硬化率敏感性;在高应变率下孪晶更为活跃,表现为孪晶形成应变较小、孪晶界比例更高、几何必需位错密度更高、位错分布更均匀以及孪晶-位错相互作用更强烈,这些特征使得动态加载初始阶段的应变硬化率比准静态加载更高;而孪生相关硬化行为的减弱及由此产生的负应变硬化率敏感性归因于变形后期孪晶体积分数增长速率的降低。建立描述TWIP钢单晶微柱塑性变形过程孪晶动态演化的离散位错动力学模型,通过分析两种形变孪晶成核模式在孪生前后自由能改变,在离散位错动力学模型中引入不全位错从表面发射和内部分解的应力和几何准则。所建立的模型能够较为准确地描述单晶微柱实验的应力响应、再现孪晶形貌的演化和预测孪晶取向的转变。进一步研究了 TWIP钢单晶微柱塑性力学行为和孪晶形貌对内部源密度、分布的依赖性,结果表明,内部源密度越低、间距越近、分布越不均匀,则变形后形成的孪晶平均厚度越大、流动应力也越大。基于新形成孪晶核的动力学解析模型,阐明了孪晶厚度变化依赖新孪晶激活和近邻孪晶合并之间的竞争机制。基于叠加法原理,建立了 TWIP钢多晶体塑性变形过程离散位错动力学和有限元耦合的跨尺度模型,该模型描述了晶内位错的形核、滑移、交互与湮灭机制,并通过Voronoi多边形生成算法引入含晶界的多晶模型,晶界既可以反映塞积位错的阻碍作用,又能再现应力集中驱动的跨晶界位错传递。进一步考虑时间尺度相关的位错源激活机制和位错运动的粘性阻尼机制,分析了动态加载条件下晶界的强化机制。结果表明,在102-104s-1应变率区间,屈服强度的应变率敏感性经历从低到高的转变,晶粒尺寸并不改变屈服强度的应变率敏感性行为,而稳态变形阶段后晶粒细化又会降低应变率敏感性。针对TWIP钢在动态加载条件下的负应变率相关硬化行为,建立了描述高应变率和温度相关动态力学行为的唯象本构模型,该模型通过考虑位错与孪晶相互作用,引入动态孪生动力学和动态回复因子修正经典Kocks-Mecking关系。结合宏观力学行为和微结构演化的特征参数,分析了获得了应变率和绝热温升对TWIP钢动态力学行为影响的微观机制。结果表明,变形初期出现的负应变率硬化是由于高应变率下强化的孪生延缓了位错的增殖;而变形后期负应变率硬化是动态绝热温升效应促进位错动态回复的结果。