近年,随着钢铁构件的大型化和大跨度化,焊接作为钢材二次加工的重要环节越来越被重视,为了节约焊接工时,降低构件制造成本,大热输入焊接新技术被广泛应用于造船、海洋工程、大型储罐和高层建筑等大型装备制造领域。由于钢材在大热输入焊接过程中,熔合线附近的粗晶热影响区(Coarse Grain Heat Affected Zone, CGHAZ)温度通常在1400℃左右或者更高,极容易导致奥氏体晶粒粗化并在焊后的冷却过程中生成上贝氏体(Upper Bainite, UB)、侧板条铁素体(Side Plate Ferrite, SPF)等脆性组织,造成焊接接头的强度和韧性恶化,严重影响构件的使用安全和服役性能。在此背景下,基于大热输入焊接的粗晶热影响区组织性能控制技术及其对应钢种的研究开发备受关注。本文拟根据大热输入焊接用钢的工艺特点及作用原理,从合金元素选择、物理冶金工艺优化、焊接热影响区连续冷却相转变行为、第二相粒子钉扎奥氏体机制和晶内针状铁素体(Acicular Ferrite, AF)形核机制等方面,研究分析微锆钢大热输入焊接热影响区性能及组织转变规律。论文的主要研究工作及成果如下：(1)根据氧化物冶金技术的基本原理,合理设计大热输入焊接用钢的化学成分；制定出能够有效抑制奥氏体晶粒长大、促进晶内针状铁素体(AF)形核,改善大热输入焊接热影响区韧性的工艺路线。(2)利用Formastor-Ⅱ型全自动相变仪,对焊接热影响区组织的相变行为进行了系统研究,绘制出微锆钢焊接热影响区连续冷却转变SH-CCT图。(3)研究分析了Zr对钢中夹杂物的影响规律。结果表明,由于ZrOx和MnS有着相近似的晶体结构,因此添加适量的Zr元素有助于钢中MnS的球化,将长条状的MnS夹杂转变成以ZrOx为核心的球形复合夹杂,该复合夹杂物,具有较好的热稳定性,能有效地钉扎奥氏体晶界,阻止奥氏体晶粒过分长大。(4)通过改变热处理工艺,研究分析了不同原始奥氏体晶粒尺寸下晶内AF组织的演变规律。结果表明,晶内AF的数量随奥氏体晶粒尺寸的增加而增大,其原因是奥氏体晶粒尺寸的增加,降低了奥氏体晶界面积,从而减少了晶界铁素体组织的潜在形核位置,有利于晶内AF在夹杂物上形核；在冷却条件相同的情况下,奥氏体晶粒尺寸小于临界奥氏体晶粒尺寸时,相变以晶界铁素体相变为主,而大于临界奥氏体晶粒尺寸时,相变以晶内AF相变为主。(5)对粗晶热影响区中M-A组元的研究结果表明,含Zr钢中的M-A组元尺寸要明显小于不含Zr钢中的M-A组元尺寸。当M-A组元的平均尺寸从5μm减小到2.2μm时,临界应力δc从1941 MPa增加到2926 MPa, M-A组元临界应力δc越大,则M-A组元越不易产生裂纹,降低粗晶热影响区中M-A组元的尺寸是提高大热输入焊接热影响区韧性的有效途径。(6)利用电子探针电子显微镜等对微锆实验钢中促进AF在粗晶热影响区中形核的夹杂物分析结果表明,由于Zr的离子半径与Mn的离子半径相接近,在Zr的氧化物周围容易形成锰贫瘠区,增加了奥氏体向铁素体相变的化学驱动力,促进了AF在椭球形Zr和MnS组成的复合夹杂物上形核并且长大。因此,钢中添加适量的Zr元素有助于促进粗晶热影响区中AF的形成,改善大热输入热循环后粗晶热影响区的冲击韧性。(7)在热输入能量为100至1000kJ/cm的范围内,研究分析了微锆实验钢粗晶热影响区冲击韧性与焊接热输入的关系。结果表明,实验钢在100～1000 kJ/cm的热输入范围内-20℃C冲击功均大于123J,说明微锆试验钢具有很好的粗晶热影响区低温冲击韧性。研究过程中还发现,实验钢的-20℃C冲击随热输入的增加呈先上升后下降的趋势变化,其原因是粗晶热影响区冲击韧性不仅与晶内AF的数量、大小和分布状态有关还与原始奥氏体的晶粒尺寸有关,适当增大原奥氏体晶粒尺寸,能减少奥氏体晶界的总面积,从而使晶界铁素体潜在的形核位置减少,有利于相变向晶内偏移,增加晶内AF在夹杂物上形核并长大,提高大热输入焊接热影响区的冲击韧性。(8)研究分析了大热输入粗晶热影响区中晶内AF的形核和长大机制,认为在相变发生初期,一次AF首先在夹杂物上形核并长大,在随后的相变过程中,由于一次AF上面存在大量的位错提供了碳扩散的通道,加速了界面周围碳的扩散,造成了一次AF界面碳浓度梯度,为二次AF在其界面形核提供了驱动力。二次AF的数量要远远多于一次AF,因此,二次AF对阻止裂纹的扩展,改善热影响区的韧性起了主要的作用。(9)气电立焊实物实验的结果表明,微锆试验钢在经过热输入为120 kJ/cm的大热输入焊接后后,距离熔合线1mm处的热影响区冲击功在100J以上。研究中发现,在热模拟机上实验钢经历的焊接热循环条件要比实物焊接更为苛刻,因此,本文通过焊接热模拟试验所获得的大量试验数据和结论对大热输入焊接热影响区性能及组织转变规律的深入研究和大热输入焊接用钢的研究开发具有重要的参考价值。