含Nb微合金钢已经广泛应用在汽车、船舶、油气管线等工程中,但如何充分发挥Nb元素在微合金钢中的强化作用,仍有待深入研究。本文通过在含Nb微合金钢中添加Mo元素,以期控制钢中的析出反应并调控组织来提升含Nb微合金钢的强度。本文以含0.1%Nb的低碳微合金钢为实验材料,重点研究了添加Mo元素对其析出相以及力学性能的影响,并从强化理论、析出相形核理论和析出相在铁素体的界面行为等多个角度对这一影响机理做出进一步解析,论文中主要开展的工作归纳如下:(1)借助金属材料性能分析软件JMat Pro和高真空电弧熔炼炉对预研究的材料进行了成分设计、制备和工艺设计;并通过金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及X射线衍射仪(XRD)等手段,分析了不同Mo含量和不同保温时间对含Nb微合金钢微观组织的影响。结果表明,Mo元素的添加导致含Nb微合金钢铁素体基体晶粒更加细小,且随着保温时间的延长,各成分钢的组织均呈现一定程度的粗化。同时添加Mo元素的钢中析出相的尺寸比未添加的更为细小,分布也更为弥散。另外,Mo原子能进入析出相NbC的晶格中并取代部分Nb原子形成(Nb,Mo)C,导致其点阵常数变小。(2)通过微型试样变温力学性能试验机(MTS Criterion Model)研究了添加与未添加Mo元素微合金钢的室温力学性能,采用SEM观察拉伸断口形貌,并结合微合金钢理论强度模型分析了不同强化机制对其理论屈服强度的贡献。结果表明,Mo的添加能提高含Nb微合金钢的强度,且断口形貌均呈现出典型的韧窝微孔型特征。理论屈服强度分析表明,在几种强化机制中,析出强化与细晶强化起主导作用,其增量随Mo含量的增加而增加。(3)结合NbC析出相与铁素体基体之间半共格的取向关系和析出相热力学平衡固溶度积等相关理论,建立了含Nb微合金钢中析出相在不同形核机制下的析出动力学模型。结果表明,(Nb,Mo)C与铁素体之间的比界面能比NbC的与铁素体之间的更低,且(Nb,Mo)C粒子具有更低的临界形核功和临界形核尺寸,从而导致其更高的形核率与更快的形核动力学。(4)基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了Mo进入α-Fe/NbC界面前后的粘附功、界面能、电子结构和成键特征等性质,考虑了2种不同的原子终端界面,同时分析了6种Mo原子置换位置对α-Fe/NbC界面结构的影响。结果表明,两相界面处Fe、C相邻的C-top界面结构的稳定性比Fe、Nb相邻的Nb-top界面结构的稳定性更强,而Mo原子进入界面NbC侧置换Nb原子形成的α-Fe/(Nb,Mo)C界面则表现出比干净界面更好的稳定性。因此,Mo对NbC在铁素体中的形核有一定的促进作用。另外,界面的差分电荷密度、态密度和Milliken布居分析也解释了Mo增强α-Fe/NbC界面稳定性的原因,这为分析NbMo复合微合金钢的碳化物析出行为提供了理论依据。