含Cu钢在等温时效处理过程中会析出纳米尺度的富Cu相,从而产生析出强化作用,而产生的析出强化效果会随着富Cu相尺寸、数量密度以及体积分数的变化而变化。含Cu钢中通常会加入一定量的Mn、Ni元素来改善性能,Mn、Ni元素的存在会产生固溶强化和细晶强化作用,而且Mn、Ni元素的存在会对富Cu相的析出产生影响,因而备受关注。本文将含Cu钢中的C含量减少至0.005 wt.%以下,添加Mn、Ni元素,通过测量钢的显微硬度、拉伸强度等宏观力学性能,利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)以及原子探针层析技术(APT)进行微观分析,利用第一性原理模拟等方法,系统研究Mn、Ni元素添加对含Cu钢中富Cu相析出强化的影响,对比得出以下主要结论:(1)对比Fe-Cu钢和Fe-Cu-Mn钢以及Fe-Cu-Ni钢和Fe-Cu-Ni-Mn钢发现,Mn元素的添加加快了析出强化的进程,这是由于Mn元素的添加加快了富Cu相形核、长大和粗化速度。基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)计算结果表明,含Cu钢中添加Mn元素会增加空位和间隙原子的形成可能性,而空位和间隙原子等点缺陷的存在会成为富Cu团簇形核中心位点,因此会促进富Cu团簇的形核,增加了富Cu团簇的形核速率。由于含Mn钢中更容易形成弗兰克尔缺陷,而弗兰克尔缺陷的存在会加快时效后期钢中富Cu相长大和粗化的速率。(2)对比Fe-Cu钢和Fe-Cu-Ni两种钢发现,它们的析出强化规律和进程没有明显差别。淬火态的Fe-Cu-Ni钢的硬度高于Fe-Cu钢是由于Ni元素添加产生的固溶强化以及细晶强化作用。TEM结果表明,Ni元素添加对富Cu相的结构转变几乎没有影响。APT结果表明,时效初期,Ni元素添加阻碍了富Cu团簇的形核,因此Fe-Cu-Ni钢中产生的析出强化效果弱于Fe-Cu钢,Fe-Cu-Ni钢较淬火态的硬度增加量低于Fe-Cu钢。时效中后期,两种钢中由于富Cu相析出产生的析出强化效果相近。(3)对比Fe-Cu-Mn钢和Fe-Cu-Mn-Ni两种钢发现,由于Ni元素添加对Fe-Cu-Mn钢晶粒尺寸影响不大,因此主要是Ni元素产生的固溶强化,提高了淬火态Fe-Cu-Mn-Ni钢的硬度。时效初期,Ni元素的添加降低了Fe-Cu-Mn-Ni钢中形成富Cu团簇所需的化学驱动力,因而降低了富Cu团簇的形核速率,因此降低了富Cu相的析出强化效果。时效后期,Ni元素在富Cu相和基体界面处基体一侧富集,并促使Mn元素在界面处富Cu相一侧富集,与富Cu相形成核壳结构,该核壳结构可以作为缓冲层来减小富Cu相和基体之间的晶格错配度,降低了基体与富Cu相之间的应变能,从而降低了富Cu相长大粗化的速率,减缓了Fe-Cu-Mn-Ni钢硬度下降的速率。