研发高强高韧的低温用钢铁材料是降低能耗和提高安全性的有效途径。在对Fe-Mn二元合金的研究发现,当Mn含量在30~40%范围内时,由于材料层错能较高,在液氮温度到室温这一宽泛的变形温度范围内,主要的变形机制是位错滑移,室温下具有良好的塑性(Total elongation>40%),在液氮温度下具有良好的冲击性能(Charpy impact toughness>200 J),因此是极具潜力的低温钢材料。但这类二元合金室温屈服强度较低(<200 MPa),难以满足低温用钢的要求。因此本文以Fe-30Mn-0.11C钢为研究对象,进行组织结构设计,提出利用晶粒细化,位错源强化和约束效应强化等多种强化机制来获得高的屈服强度。本文通过冷轧及退火工艺和固溶处理工艺,成功制备了晶粒尺寸分别为0.054,0.43,0.48,0.77,0.8,1,4.3,8.5,47,52和67μm的样品,利用拉伸实验对制备出的具有不同晶粒尺寸的样品在室温和低温下的力学行为进行了研究。结果表明,晶粒尺寸对Fe-30Mn-0.11C钢的拉伸流变行为具有显著影响。当晶粒尺寸为0.054μm≤d<0.43μm时,拉伸曲线为连续流变;当晶粒尺寸为0.43μm≤d<4.3μm,拉伸曲线连续流变转变为不连续流变,出现明显的屈服平台;当晶粒尺寸为4.3μm≤d≤67μm,拉伸曲线再次转变为连续流变。晶粒尺寸和变形温度的改变都对Fe-30Mn-0.11C钢的变形机制有重要影响。室温时,晶粒细化抑制马氏体转变;低温时,晶粒细化抑制形变孪晶。温度的降低伴随着Fe-30Mn-0.11C钢的层错能的减少,其变形机制发生转变。Fe-30Mn-0.11C钢室温下的变形机制主要为位错滑移;低温下的主要变形机制为位错滑移和孪晶。对出现屈服平台的超细晶组织进行微量轧制,发现微量轧制引入位错结构消除了超细晶组织在拉伸过程中出现的不连续屈服现象。建立了不同晶粒尺寸的HallPetch关系,分析表明:当晶粒尺寸在超细晶范围内时,屈服强度对晶粒尺寸的变化很敏感,Hall-Petch斜率出现正偏离,Hall-Petch斜率为830 MPa·?m1/2,截距为-451 MPa。利用混合法则计算了由再结晶和回复态组织交替分布的复合层状结构(晶粒尺寸为0.48μm)的强度,在室温屈服强度为565 MPa,均匀延伸率为25.2%的复合层状结构样品中,存在约46 MPa的位错源强化和47 MPa的约束效应强化。