Ni系低温钢在过去50年里被广泛应用于制备各种低温容器。近年来,由于国际上Ni矿产资源日益紧缺,且Ni合金成本居高不下,“节Ni化”和“无Ni化”成为Ni系低温钢发展的必然趋势。2015年,韩国浦项制铁研发的极低温用高锰奥氏体低温钢己被成功应用于LNG储罐上,相比之下,我国自主研发的无Ni低温钢还存在屈服强度低、低温韧性差、性能各向异性等问题。本文基于超低碳、高锰、中铝的成分设计思路,开发出了一种强度高、塑性好,同时具有良好低温韧性的Fe-Mn-Al系轻质低温钢。通过热变形行为以及热处理工艺研究掌握了实验钢的组织与性能的调控技术,并揭示了实验钢在室温和-196℃下的塑性变形机制及强韧化机理。总结如下:综合考虑合金元素对相组成、变形机制、力学性能及密度的影响,设计并制备了 Fe-24.4Mn-4.04AI-0.057C 和 Fe-26.0Mn-6.20AI-0.050C两种轻质低温钢。对两种实验钢的相变点、密度、层错能进行了计算与测量,结果表明:Fe-24.4Mn-4.04Al-0.057C钢在560.5～1238.9℃为奥氏体相区,其室温组织为单相奥氏体,密度为7.19g/cm3,相对于纯铁减重8.6%。Fe-26.0Mn-6.20AI-0.050(C钢在490.5～1302.3℃为奥氏体和δ-铁素体双相区,室温组织由80.9%的奥氏体和19.1%的δ-铁素体组成,密度为6.98g/cm3,相对于纯铁减重11.3%。两种实验钢中奥氏体的层错能均在25～55mJ·m-2范围内。相比于Fe-Mn-Al奥氏体钢,Fe-Mn-Al双相钢表现出了一系列反常的热变形特征。在热变形过程中,加工硬化和动态软化均优先发生于δ-铁素体中。δ-铁素体在热变形初期的动态回复造成了流变曲线上的类屈服行为。奥氏体与δ-铁素体之间不均匀的应变分配造成了流变曲线上的锯齿状特征。变形温度>900℃时,δ-铁素体的连续动态再结晶行为使得流变曲线表现为“动态回复型”。变形温度≤900℃时,奥氏体的不连续动态再结晶行为使得流变曲线表现为“动态再结晶型”。基于一种改进的双曲正弦方程和饱和加工硬化指数原则,并考虑组织演变行为对流变曲线的影响,建立了Fe-Mn-Al双相钢瞬态应力的本构模型。经验算,该模型具有较高的预测精度。Fe-Mn-Al双相钢热轧板的抗拉强度和屈服强度相比Fe-Mn-Al奥氏体钢分别提高了76.7MPa和119.4MPa,但由于“带状”组织的存在,其塑性和韧性较差,且力学性能呈各向异性。经1000℃固溶处理]h后,Fe-Mn-Al双相钢获得了最佳综合力学性能,其抗拉强度和屈服强度分别为574.9MPa和362.4MPa,断后伸长率为57.5%,-196℃冲击功达到129.7J·cm-2。固溶处理过程中,奥氏体中较高的形变储能增大了其晶界迁移的驱动力,这使得“带状”δ-铁素体组织发生离散化。固溶处理后,Fe-Mn-Al双相钢的强度主要取决于相比例及显微硬度值,其良好的塑性与韧性主要来源于奥氏体产生的TWIP效应和组织均匀化。在室温拉伸变形过程中,δ-铁素体表现出一系列交滑移特征。奥氏体在塑性变形前期承担了主要变形,并表现出典型的平面滑移特征;塑性变形后期,奥氏体的变形机制以TWIP为主,且应变通过高密度位错墙从奥氏体传递到δ-铁素体中,使两相组织发生协调变形。不全位错平面滑移产生的层错以及位错塞积造成的应力集中,是奥氏体产生形变孪晶的两个必要前提条件。Fe-Mn-Al双相钢在室温下良好的强塑性匹配主要来源于位错、形变孪晶、晶界之间的相互作用而产生的多阶段持续加工硬化行为。在低温下,原子活性降低使得位错滑移所需的临界应力增大,而层错能降低使得产生形变孪晶所需的临界应力减小。因此在-196℃拉伸变形过程中,奥氏体中的位错运动受到抑制,其塑性变形机制以应变诱导孪生为主,形变孪晶产生的TWIP效应使得Fe-Mn-Al双相钢在-196℃下获得了良好的强塑性匹配,其抗拉强度和屈服强度分别为945.0MPa和585.0MPa,断后伸长率为64.5%。在-196℃冲击变形过程中,层错相比位错滑移更容易发生,外载荷造成的应力集中使得孪生变形机制以形核为主。奥氏体中纳米孪晶所产生的TWIP效应以及超低碳设计所造成的γ/δ相界洁净化效果使得Fe-Mn-Al双相钢获得了良好的低温韧性。