高锰奥氏体钢为Fcc结构的单相奥氏体组织。在发生塑性变形时,形变诱导相变或形变诱导孪生机制为其带来均匀连续的加工硬化能力和优异的塑韧性。目前在汽车车身用钢(室温塑韧性)、LNG运输储罐用钢(超低温韧性)、强磁场结构钢(无磁)等方面有巨大应用潜力。但高锰奥氏体钢屈服强度低,使其在很多领域上的应用受到了限制。如何在保持高塑性的前提下提高其室温屈服强度仍然是亟待解决的问题。本论文工作在高锰奥氏体钢中添加合金元素铜,利用固溶在基体内的铜元素调节合金层错能,控制其形变机制。利用铜与基体相同的晶体结构和相近的晶格常数,在奥氏体中析出共格的富铜纳米相,能够在提高屈服强度的同时保持塑性不降低。针对高锰奥氏体钢中的富铜纳米相析出和铜对高锰奥氏体钢形变机制的影响,设计了两种成分体系:一种是层错能较高的Fe-25Mn-Al-Ni-Cu系,研究富铜纳米相的析出强化机制;另一种是层错能较低的Fe-18Mn-C-Cu系,调节Cu含量有效改变基体形变机制,研究纳米孪晶对富铜纳米相析出的影响。利用Jmat Pro软件结合文献调研对实验热处理工艺参数进行设计,利用Olson-Cohen热力学模型对高锰奥氏体钢的层错能进行计算,利用OM、SEM、XRD、STEM等手段对高锰奥氏体钢显微组织进行表征,利用硬度计、拉伸试验机表征高锰奥氏体钢的力学行为,分析实验结果发现:高层错能的高锰奥氏体钢其形变机制以位错滑移为主,形变孪生为辅,而层错能处在形变机制敏感区的低层错能高锰奥氏体钢,加入Cu元素会使形变机制由TRIP变为TWIP。实验发现富铜纳米相长大初期是一种铜原子簇团,纳米级尺寸大小,呈球状且弥散分布在基体内,与基体界面关系良好,具有一定的热稳定性。但当富铜纳米相粗化,其形貌变为沿{110}晶面族生长的片状结构,厚度数纳米,长宽可达几十甚至上百纳米。富铜纳米相的变化会使其强化机制由切过变为绕过,强化效果大幅度减弱。此外,富铜纳米相形貌会影响其加工硬化行为,球状富铜纳米相会提高加工硬化率,片状富铜纳米相会降低加工硬化率且不利于塑性。因此,通过合理的时效工艺控制,获得纳米级尺寸且弥散分布的球状富铜纳米相,能够提高屈服强度的同时,几乎不损失塑性。此外,为了分析不同基体对富铜纳米相析出行为的影响,利用冷轧变形在低层错能的高锰奥氏体钢内引入高密度的纳米孪晶,其纳米孪晶层片厚度及基体层片厚度主要分布在20nm以内,且存在着少量层片厚度大于40nm的孪晶层片或基体层片。分析实验结果发现,富铜纳米相的形核方式会受到基体内缺陷的影响,在粗晶内发现富铜纳米相析出可能依赖于空位形核,存在“无析出带”,而在纳米孪晶结构的高锰奥氏体钢中,其形核优先在高能量的共格孪晶界,会出现条状的富铜纳米相。