高强钢作为重要的基础材料,在能源、交通、电力等行业有着广泛应用。为降低成本提升性能,控制轧制及快速冷却已成为高强钢制备的主要方法。快速冷却过程中,温度应力与组织转变交互作用,在材料内引入高幅残余应力,降低材料性能,影响尺寸稳定性,诱发应力腐蚀,严重制约高强钢的应用和发展。因此,研究高强钢制备过程的残余应力演变规律,建立组织转变与残余应力演变间的对应关系对于合理制定加工工艺以降低高强钢的残余应力水平具有极其重要的学术价值和工程意义。本文围绕制约高强钢产品品质及性能提升的残余应力问题,从高强钢残余应力测试系统开发、温度应力对连续冷却相变行为及残余应力的影响、退火过程中的组织演变、退火过程中残余应力的调控机制、低温残余应力调控技术等五个方面展开研究,解决了两个科学问题:构建了考虑相变迟滞效应的铁素体连续冷却过程相变动力学模型;揭示出基于析出塑性、析出诱导蠕变效应的退火残余应力调控机制。为高强钢残余应力调控提供了理论依据。在此基础上开发出基于形变诱导碳化物低温溶解机制的低温残余应力调控技术,为实际生产中精确调控残余应力,降低残余应力的调控成本提供了技术准备。本文的主要研究结论如下:(1)对基于弹性断裂力学原理的裂纹柔度法残余应力测试的测试原理、测试过程、测试误差进行了系统的分析,编制Abaqus用户子程序,采用Abaqus与Matlab相结合的方法开发出裂纹柔度法残余应力测试计算系统,解决了高强钢板轧向残余应力沿板厚方向上分布的表征难题。为系统分析高强钢的相变行为及其对残余应力的影响规律奠定基础。(2)连续冷却过程中温度应力对低碳微合金钢相变塑性及相变动力学的影响研究发现:在低于材料屈服强度的温度应力作用下,低碳微合金钢700L存在相变塑性现象,且相变塑性应变与温度应力呈线性正相关关系,相变塑性系数k=1.337×10-4;外加应力作用下铁素体组织具有相变迟滞效应,使铁素体相变开始温度移向低温段;构建了考虑相变迟滞效应的铁素体组织连续冷却相变动力学模型ξ=1-exp[-b(Fs-T)n],解决了连续冷却过程相变转变量的量化表征问题。运用有限元软件Deform计算出连续冷却过程残余应力的预测值。结果显示考虑相变塑性时残余应力的预测值与实测值接近。不考虑相变塑性时残余应力的计算值比实测值低约40%。(3)研究了低碳微合金钢的退火组织转变行为,发现退火过程存在析出诱导位错增殖以及组织中的微区碳浓度决定碳化物的析出行为等两个重要现象。低碳微合金钢700L退火过程可划分为:碳分离与碳偏聚阶段、渗碳体Ⅰ析出阶段、残余奥氏体分解阶段、渗碳体Ⅱ析出阶段、合金碳化物析出阶段及Mn配分阶段,其中前5个阶段的反应激活能分别为:102.50 KJ/mol、117.24 KJ/mol、147.29 KJ/mol、197.55 KJ/mol、343.41 KJ/mol。合金碳化物析出阶段,组织中的位错密度由7.44×1013m-2迅速升高至2.99×1014 m-2,存在析出诱导位错增殖现象。渗碳体析出阶段,组织中的微区碳浓度决定渗碳体析出行为。在组织中碳含量相同的条件下,增加位错密度可以改变组织中的微区碳浓度,促进渗碳体析出。(4)研究了退火过程的残余应力演变规律,揭示了基于析出塑性以及析出诱导蠕变效应的退火残余应力调控机制。试验数据表明:低碳微合金钢退火过程存在2个残余应力调整阶段。第1阶段位于渗碳体析出区域,温度区间为200℃-350℃,残余应力调控机制为析出塑性机制。在300℃进行30min退火处理后,沿带钢厚度方向上的轧向残余应力由487MPa降低至200MPa,但弹性应变能保持不变;第2阶段与合金碳化物析出阶段重叠,温度区间为500℃-650℃,残余应力调控机制为析出诱导蠕变机制。在600℃进行30min退火处理后,沿带钢厚度方向上的轧向残余应力由487MPa降至174MPa,同时弹性应变能由1609MPa·mm降低至439MPa-mm,减少72.72%。(5)利用预变形诱导碳化物溶解,促进随后退火过程中碳化物低温析出的效应,开发出低温残余应力调控技术。研究发现:10%预变形使低碳微合金钢700L组织中的位错密度由变形前的1.37×1014 m-2增加至2.39×1014m-2,同时使畸变能增加,部分碳化物破碎、溶解,改变了组织中的微区碳浓度。退火过程中,渗碳体Ⅰ析出、渗碳体Ⅱ析出及合金碳化物析出阶段的激活能分别由 117.24 kJ/mol、197.55 kJ/mol、343.41 kJ/mol 降低至 93.06 kJ/mol、155.59 kJ/mol和300.80 kJ/mol。使渗碳体析出、合金碳化物析出以及Mn配分的温度分别由300℃、500℃、625℃降低至100℃、475℃、575℃。在碳化物低温析出驱动下,残余应力的调控温度由300℃降低至100℃;弹性应变能的调控温度由600℃降低至450℃。