近期含铝低密度化钢铁材料成为结构钢研究领域的新热点之一。本论文对低碳中锰中铝合金体系进行系统研究,通过高温两相区合金成分设计和热加工工艺设计成功制备出具有层片状双相/复相特征组织的一系列新型结构钢。新型层片结构钢充分地发挥了类似层状金属复合材料的高轧面冲击韧性特点,同时兼备较高的强度和良好的塑性,为钢铁结构材料的高强高韧力学性能探索提供了新的研究思路。本文首先使用热力学计算软件Thermal-Calc对低碳中锰中铝合金体系进行系统评估,合成并绘制适用于低碳中锰中铝合金体系的类Schaeffler相图。结合类Schaeffler相图对该合金体系进行高温两相区合金成分设计和较大压下量热轧工艺设计,通过简单的方法成功制备微米级层片状铁素体+马氏体双相钢。制备的新型微米级层片状铁素体和马氏体双相钢表现出高强度和高轧面(L-S方向)冲击韧性的优异力学性能特点,可以获得高达1200MPa抗拉强度/400J轧面冲击韧性或者1450MPa抗拉强度/200J轧面冲击韧性的优异力学性能,超过绝大部分钢铁结构材料的强韧性。在多批次实验钢的研究中,通过金相、扫描、透射和电子背散射衍射等多种组织表征手段和拉伸、冲击、硬度等力学性能测试方法,系统评估合金成分和热加工工艺对层片组织和力学性能的影响,分别从组织变量和结构参量建立其微观组织和力学性能的内在联系。在大量微观组织观察、力学行为评估、断口和裂纹分析的基础上,论文论证了层片热轧双相钢的高强高韧性能机制。认为具有较大马氏体相体积分数的层片双相钢通过层片特征组织的弱应变配分行为充分发挥较大体积分数马氏体相的强化作用,从而整体上获得较高的强度力学性能。沿厚度方向均匀排列的较软铁素体相和较硬马氏体相层片双相组织对沿厚度方向裂纹扩展具有明显的阻止和导向作用,通过增加裂纹表面积和引入更多的拉伸和弯曲塑性变形行为增大塑性变形区,进而明显提高其冲击载荷和弯曲载荷过程中的韧性。结合对层片双相钢组织演变规律和力学性能机制的理解,这类层片双相钢的组织和力学性能被进一步优化。通过中温临界两相区热处理成功引入亚稳奥氏体相,较大体积分数亚稳奥氏体发挥强TRIP效应明显提升这类钢的拉伸力学性能,同时进一步提升和优化层片双相钢的韧性,获得高达45GPa%的拉伸力学性能、400J的轧面(L-S方向)冲击韧性和140J的侧面(L-T方向)冲击韧性的优异综合力学性能。微区合金成分分析认为,层片双相钢在高温热轧加工过程中的第一次合金元素配分行为和两相区临界退火处理过程中的第二次合金元素配分行为是快速获得较大体积分数的亚稳奥氏体相的主要原因。