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本论文研究目的是提出利用马氏体冷塑性变形及随后低温再结晶,以及马氏体温变形来制备纳米晶钢的方法,并对温变形力学行为、组织和性能的关系进行表征,为制备大块高性能超细晶/纳米晶钢铁材料提供参考。采用大压下量冷轧、温压缩和温轧方法,制备出了纳米多层钢板和亚微米级超细晶粒钢板。用Gleeble-3500热力模拟试验机进行了温压缩变形行为和拉伸性能测试,并用透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）分析了微观组织。此外,还对马氏体温轧的可行性进行了分析。实验表明,15CrMnMoVA和Q235钢板条马氏体冷轧并低温退火,可以制备出纳米多层钢板,而且,通过调整冷轧压下量和退火工艺,可获得强度、塑性和韧性良好的配合。15CrMnMoVA钢经940℃淬火、65%冷轧及580℃×90min退火,得到了沿轧面近于平行排列的纳米层片晶粒,平均层片厚度约80nm。沿轧向的σb=1581MPa、σ0.2=1567 MPa、δ=11.5%、αk=55J·cm-2、K1C=110.7MPa·m-1/2,其在5%NaCl溶液中的K1SSC=94.6 MPa·m-1/2;Q235钢经940℃淬火、93.6%冷轧、350℃×60min退火,可获得平均晶粒尺寸为22.4nm、σb=1795MPa的纳米晶粒钢板。09MnNiDR钢板条马氏体组织400℃温轧及退火,可制备出纳米晶粒/亚微米晶粒钢板。温轧后经450℃×60min退火得到的平均晶粒尺寸为32.8nm,σb=1430MPa、σ0.2=1008 MPa、δ=5.4%。钢的化学成分,特别是Mo和V,对纳米晶钢板热稳定性影响较大,Cr-Mo-V钢纳米层片组织的热稳定性最高,层片组织消失的温度高达650℃;其次为09MnNiDR钢,层片组织在500℃开始消失;Q235钢纳米层片组织热稳定性最低,层片组织在450℃开始消失。在本实验条件下,强度和硬度与晶粒尺寸之间在纳米尺度仍符合Hall-Petch关系。纳米多层钢板的耐蚀性高于供货状态,其主要原因是超均质和超细化。Q235纳米多层钢板在350℃×480min退火时钢板的耐蚀性最好,退火温度升高,耐蚀性变差。影响45钢马氏体温变形流变行为的主要因素是化学成分、变形温度、应变速率和应变量,其中变形温度影响最大。550700℃变形,马氏体组织的流变应力与F+P组织相当,加工软化率和应变速率敏感性指数都大于F+P组织,马氏体的表观变形激活能为370.3 kJ·mol-1,F+P的表观变形激活能为355.6 kJ·mol-1,得到了它们的温变形方程和变形抗力与Z参数间的关系。马氏体550700℃、0.01s-1变形后的组织由平均晶粒尺寸为200nm～1.73μm的等轴状铁素体和平均尺寸为32nm～62nm颗粒状碳化物组成。马氏体温变形组织室温拉伸性能优于F+P温变形组织。根据现行铁素体轧制理论,以及本文中碳钢马氏体与F+P温变形行为和组织演化的实验结果,可以证明,马氏体温加工用于超细晶粒钢生产是可行的,提出了马氏体温加工制备超细晶粒钢的新方案。