随着我国海洋开发战略及节能减排政策的实施,亟待开发满足在湿热海洋大气腐蚀环境下服役的低密度耐候钢板。铝是提高钢铁材料耐蚀性同时降低密度的有效元素,目前高铝钢的研究主要针对于汽车用薄板,且基本不要求韧性;而海洋工程用钢对韧性要求极高,海洋工程用高铝中厚板的合金设计、工艺技术和性能均与汽车用钢明显不同,迫切需要进行深入研究。本文针对海洋工程用钢不同强度级别,开发了两种类型低密度钢板,研究其组织控制、工艺技术以及服役性能,同时研究了铝提高钢铁材料抗海洋大气腐蚀机理。采用热模拟试验机和电子背散射衍射技术研究了 δ铁素体钢(4Al-1Ni)热塑性和再结晶行为。采用阿弗拉密方程建立了 δ铁素体钢静态再结晶动力学模型,结果表明再结晶活化能为277.2千焦每摩尔,阿弗拉密系数为0.93。通过第一性原理计算发现铝元素的添加会降低铁素体的层错能,抑制回复过程,促进再结晶行为。发现δ铁素体钢静态再结晶在软化率大于0.6时发生,应变诱导晶界迁移机制为再结晶主要形核方式。发现δ铁素体钢的动态再结晶行为包含连续动态再结晶和不连续动态再结晶,可有效细化δ铁素体晶粒。开发了适合于δ铁素体钢组织控制的控轧和在线退火工艺,获得了密度降低5.6%性能达到船舶与海洋工程用钢B级板水平的中厚板。开发了适用于高铝多相钢(3.2Al-2Ni-2.5Mn-0.18C)的控轧+直接淬火+临界退火工艺,阐明了工艺全流程组织演变过程,主要包括δ铁素体片层长大、合金元素配分以及逆转奥氏体形核长大。轧制前再加热过程处于δ铁素体和奥氏体双相区,实现了合金元素的第一次配分。直接淬火后的组织主要由δ铁素体条带和马氏体条带构成。临界退火处理实现了合金元素进一步配分,碳、锰和镍向逆转奥氏体中富集,铝向回火马氏体中扩散。最终组织为由片层状δ铁素体条带、回火马氏体和残余奥氏体等组成的多相组织,残余奥氏体含量达到18%,性能满足DH620要求,密度降低4.5%。所开发的两种低密度钢板其抗海洋大气腐蚀性能都优于传统耐候钢。通过电化学、透射电镜、X射线衍射及第一性原理计算等测试分析,揭示了铝元素在高铝钢模拟海洋大气腐蚀锈层中的存在状态,发现铝原子可取代铁原子存在于腐蚀产物α-FeOOH、β-FeOOH、γ-FeOOH和Fe3O4中,铝原子在三种羟基氧化铁中皆有固定氯原子的作用,可抑制β-FeOOH的形成,促进γ-FeOOH和α-FeOOH的形成,同时铝会细化锈层产物晶粒,提高抗氯离子腐蚀能力,降低腐蚀速率。