低合金钢因其优异的力学性能以及良好的焊接性,被广泛应用于建筑设施、输油管线、桥梁、舰船制造等领域。近年来,随着我国工业化的快速发展以及节能减排意识的不断提高,对工程结构及装备轻量化的要求越来越高,因此迫切地需要发展高性能的结构钢。但在钢铁材料中,强度的提高往往伴随着塑性的降低,只有在保证塑性良好的前提下,提高强度才有意义。利用残余奥氏体的相变诱导塑性能同时提高强度和塑性,是解决这一问题的关键。因此,如何在低碳低合金体系下获得足量的稳定的残余奥氏体是发展高强度高塑性钢的关键。本文创新性地提出了通过多步亚临界热处理的新工艺在低碳低合金体系下获得稳定残余奥氏体的方法,并通过彩色金相、SEM、TEM、高分辨相等手段系统地研究了低合金钢在多步亚临界处理过程中的组织演变规律以及力学性能变化,并以此形成一套完整的多相组织以及残余奥氏体的调控路线,获得第三代高强度高塑性低合金原型钢。实验用低合金钢在第一步临界退火处理后,其组织由铁素体与贝氏体/马氏体构成。铁素体呈板条状与贝氏体/马氏体板条相间排列。贝氏体/马氏体由逆转奥氏体在冷却过程中转变而来,继承了临界等温过程中奥氏体中富集的高合金含量。同时,由于合金元素在奥氏体中的富集,实验钢的Acl温度降低了20℃。经第二步临界回火后,获得由临界铁素体、残余奥氏体以及回火贝氏体或马氏体构成的多相组织。铁素体仍然呈细的板条状,残余奥氏体以粒状或板条状分布在铁素体/贝氏体或马氏体相界或板条之间,尺寸细小,分布弥散。第三步回火后,组织类型变化不大。残余奥氏体主要在第二步临界退火过程中形成,主要通过临界退火过程中和临界回火过程中,C、Mn、Ni和Cu等合金元素在逆转奥氏体中的富集来提高奥氏体稳定性,其中第一步临界退火后,C、Mn和Ni在逆转奥氏体中富集,但不足以将其稳定至室温,第二步临界回火过程中,Mn、Ni和Cu继续在逆转奥氏体中富集,获得稳定的残余奥氏体。第三步回火过程中,残余奥氏体保持稳定。C含量的增加保证了残余奥氏体在第二步较高的临界回火温度下仍能保持稳定,Cu和Ni含量的减少使得最终残余奥氏体的含量大大降低,而Nb含量的降低对最终残余奥氏体的含量无影响。在多步临界热处理过程中,Nb的析出相主要在轧后、临界退火和临界回火阶段以NbC和(Nb,Mo)C的形式析出,析出物尺寸的大小随着热处理温度的降低而减小。Nb的析出相呈椭球状或不规则形状,尺寸主要分布在2-10nm之间,弥散分布在铁素体基体之中。Cu析出主要在第二步临界回火以及第三步回火过程中在铁素体及残余奥氏体中析出,呈球状,尺寸在10-30 nm之间。Cu析出相在铁素体基体中的分布并不均匀,以纳米级的具有B2结构的Fe-Cu有序畴的形式存在,而在残余奥氏体中则是以Cu原子团为核心多种元素共存的复合相存在。这是由于多次的逆转变使得部分铁素体含Cu量高,在回火过程中析出密度大。铁素体中这种Cu析出相的存在增加了析出相的密度,而且尺寸细小,对析出强化作用的贡献较大。Cu在残余奥氏体中的析出,提高了奥氏体的强度,增加了残余奥氏体的稳定性。第一步临界退火温度对残余奥氏体的影响不大,随着退火温度的升高,残余奥氏体的含量始终保持在20%以上；残余奥氏体的含量主要由第二步的临界回火温度决定,随着温度的升高,残余奥氏体的含量先升高后降低,在稍高于AcI’温度附近达到峰值。临界退火后,先回火促进析出相的形成,再进行临界回火,可以获得更高的强度,这是因为多步临界热处理工艺下,前一步的基体强度决定了后一步的强度。通过多步临界热处理工艺将多相组织、残余奥氏体的相变诱导塑性与纳米析出相的强化作用结合在一起,获得具有高强度高塑性的第三代低合金钢原型钢。原型钢屈服强度高于700 MPa,均匀伸长率高于20%,断后伸长率不低于30%。