高锰高铝钢综合力学性能优异且密度较低,可有效的减轻车重,降低油耗;因其撞击吸收能量的能力强,可显著提高安全等级。近年来国内外对高锰高铝钢的研究已经有了一定成就,但是对于如何更进一步地提高其强度及塑性仍然是亟需解决的问题。为此,本文在高锰钢中引入富铜纳米相,利用纳米相的沉淀强化在保持塑性的情况下进一步提高其强度,并通过研究不同的热处理条件下显微组织以及力学性能变化规律从而阐明铜元素在高锰钢中的作用。本文利用真空非自耗电弧熔炼技术制备了三种不同成分的含铜高锰钢Fe-10Al-15 Mn-0.8C-5Ni-xCu(x=0,0.5,1.5)。首先利用Thermo-calc软件计算了不同Cu含量条件下三种高锰钢温度与相的含量的关系,利用层错热力学模型分析研究了不同铜含量对钢中奥氏体层错能的影响,并设计了该钢的热处理工艺。利用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪等技术研究了高锰钢经过固溶处理后组织以及力学性能的变化。明确显微组织随着时间以及温度的变化规律。利用小角中子散射研究了该含铜高锰钢在时效过程中纳米相的析出行为,并研究了时效处理对含铜高锰钢组织以及力学性能的影响。用排水法测得三种不同成分的高锰钢Fe-10Al-15Mn-0.8C-5Ni-xCu(x=0,0.5,1.5)密度分别为6.73g/cm3、6.75g/cm3、6.79g/cm3。经过层错能热力学模型算得三种成分高锰钢中奥氏体的层错能分别为85.3mJ/m2、87.7mJ/m2、91.2mJ/m2。确定了固溶温度分别为850℃、900℃和 950℃,时效温度为 550℃。研究表明Fe-10Al-15Mn-0.8C-5Ni-xCu(x=0,0.83,1.38)高锰钢的基体均为铁素体与奥氏体混合相组成。在固溶的过程中,显微组织中出现了大量的退火孪晶,且随着保温时间的延长和保温温度的提高退火孪晶呈现递增的趋势。随着固溶保温时间的延长抗拉强度逐渐的下降,延伸率与之具有相反的变化趋势;固溶温度的提高会使延伸率升高,抗拉强度逐渐的下降。不同Cu含量的锰钢在固溶处理过程中显微结构的变化具有相同的趋势,随着固溶温度的升高或相同温度保温时间的延长使奥氏体的晶粒尺寸有所增加、奥氏体的体积分数增加、铁素体的体积分数稍有下降,因此导致强度下降而塑性有所提高。试样被拉断以后,并没有明显的缩颈现象发生,断口中有大量的韧窝,二次裂纹以及准解理花样。随着铜含量的增加,奥氏体中的层错能呈现递增的趋势。由于奥氏体中层错能的增加导致了奥氏体基体中退火孪晶数量的减少。不同Cu含量的高锰钢在固溶后时效的结果表明,时效导致富铜纳米相的析出,纳米相的尺寸约为1.5nm左右。纳米相主要在铁素体中析出,导致时效处理后铁素体的硬度大幅提升而奥氏体的硬度没有明显变化。三种Cu含量的高锰钢均具有较高的加工硬化率,在真应变的最初阶段,无Cu高锰钢的加工硬化率最高,随着铜含量的增加加工硬化率逐渐降低,在真应变的第二阶段,随着Cu含量的增加,致使加工硬化率变缓。通过对拉伸前后奥氏体体积分数的计算发现三种成分的高锰钢在变形前后奥氏体体积分数几乎保持不变,则可以说明三种成分的高锰钢在塑性变形过程中并没有发生γ→ε的转变。通过观察不同变形量的金相组织可以发现,在形变过程中没有孪晶的产生。可得知高层错能的该种成分的高锰钢变形的机制主要为位错的平面滑移。含铜高锰钢经固溶时效后,由于晶界上大量碳化物的析出导致了含铜高锰钢拉伸性能的急剧下降,在室温下的力学性能全部为脆性断裂,断口中有大量的准解理花纹以及冰糖状形貌。