长期以来,以经济、环保的方式生产出具有优异力学性能和低生产成本的高附加值钢材,一直是钢铁工业追求的目标。热轧双相钢,作为一种典型的“环境友好”型先进高强钢,因具有简约的生产工艺和优异的力学性能而受到钢铁企业和用户的青睐。然而,在热轧双相钢的生产和应用中,一直存在产品性能不稳定、级别单一、同质化程度高、韧性差及延伸凸缘性能差等问题。因此,有必要对热轧双相钢组织性能的调控机理进行深入研究,为提高热轧双相钢的附加值或以简便、经济的方式解决生产中存在的问题提供理论支撑。本文围绕不同类型热轧双相钢的组织调控原理及强韧化机制等关键问题展开深入而系统的研究。主要研究成果及结论如下:(1)根据热轧双相钢不同的组织性能特征及强韧化机理,将其分为三类逐步展开研究,以便获得兼具共性及个性的组织性能调控理论。本文首先在铁素体-珠光体普碳钢的基础上引入马氏体,实现相变强化,获得“Ⅰ类”热轧双相钢;在此基础上,利用纳米TiC粒子强化铁素体基体,获得析出强化型“Ⅱ类”热轧双相钢;进一步地,采用新一代控轧控冷(TMCP)工艺细化晶粒尺寸实现细晶强化,获得“Ⅲ类”热轧双相钢,依靠多种强化机制的综合作用提高钢材综合力学性能。(2)从奥氏体状态以及分段相变的角度研究了铁素体-马氏体(F-M)双相组织的形成原理,为不同工艺条件下的Ⅰ类热轧双相钢调控提供理论指导,并解决实际生产中低成本热轧双相钢的性能不稳定的问题。“高温不稳定、低温稳定”的奥氏体稳定性有利于F-M双相组织的调控。连续冷却条件下,可通过细化奥氏体尺寸及保持奥氏体硬化状态来获得F-M双相冷速窗口。奥氏体晶粒尺寸为17μm的1.0Mn-0.3Cr钢和具有硬化奥氏体的1.5Mn-0.5Cr钢的F-M冷速窗口分别为20～80℃/s和5～20℃/s。基于此原理,采用异步热轧+连续冷却工艺生产出典型的热轧F-M双相钢。然而,轧后分段冷却可降低热轧双相钢对奥氏体晶粒尺寸及硬化状态的要求,大幅降低对控制轧制的依赖。为此,采用后置超快速冷却(UFC)工艺技术,在包钢CSP生产线上开发出经济型高性能稳定性的DP540和DP590热轧双相钢。(3)针对热轧双相钢产品级别单一的问题,研究了铁素体基体-硬质第二相复相钢的调控机理,丰富了相变强化型Ⅰ类热轧双相钢的内涵,而且研究了组织结构对硬化行为的影响,为后续的加工成形提供基础数据。在“前段快速冷却-空冷-后段快速冷却”的轧后控冷工艺中,前段冷却工艺决定了铁素体基体结构,后段冷却工艺决定了第二相构成,从而可实现钢材抗拉强度在520～685 MPa范围内的柔性调控。在应变硬化方面,第二相为马氏体比贝氏体具有更高的初始应变硬化速率。采用C-J法分析应变硬化曲线时,F-B双相钢的曲线呈线性,这主要由于基体和第二相具有较好的应变相容性;而F-M双相钢的曲线具有两阶段特征:I阶段为直线,这与铁素体基体的均匀变形阶段相对应;II阶段为抛物线,在该阶段铁素体基体和马氏体第二相均发生塑性变形,但二者的变形程度差异较大。(4)为了改善Ⅰ类热轧双相钢韧性,研究了 C-Mn系热轧双相钢(自)回火行为及其对强韧性的影响机理,首次提出在工业化生产中利用自回火进行在线韧化处理。C-Mn系Ⅰ类热轧双相钢的组织性能随着回火温度(≤350 °℃)的变化而发生不同程度的变化。按组织性能的变化情况,可将离线回火行为分为四个阶段:Ⅰ阶段<150℃、Ⅱ阶段 150～200℃、Ⅲ阶段 200～250 ℃、IV 阶段 250～350℃。在 CSP 生产线生产 C-Mn系Ⅰ类热轧双相钢时,钢板在260℃卷取可发生自回火,其回火程度相当于离线回火的Ⅳ阶段。通过自回火,Ⅰ类热轧双相钢实现了在线韧化,-20～-60℃的冲击功由未自回火时的60～185J提高至300J以上,韧脆转变温度由—40℃降低至—80℃。自回火后通过软化组织、钝化界面、降低铁素体/马氏体两相硬度差等机制实现了韧化。(5)为了进一步提高强度、改善延伸凸缘性能,在Ⅰ类热轧双相钢中引入析出强化开发出Ⅱ类热轧双相钢,详细研究了该类热轧双相钢的组织演变及纳米TiC析出行为,探讨了析出强化和相变强化的耦合作用。Ti元素具有提高奥氏体高温稳定性、降低低温稳定性的作用,不利于F-M双相组织的调控。在0.10 wt.%Ti热轧双相钢中,连续冷却及分段冷却下均可能同时发生相间析出和弥散析出,形成尺寸为2.2～5.4 nm的纳米TiC粒子。由于析出形核机制的不同,在低冷速或高相变温度下,倾向于形成弯曲型相间析出;反之,则利于形成过饱和弥散析出。纳米TiC析出相显著提高了铁素体的微观硬度,进而提高双相钢的宏观硬度并降低铁素体/马氏体两相的硬度差。在热轧双相钢中引入析出强化,降低了强度对马氏体相变强化的依赖。(6)通过热轧实验研究了 Ⅱ类热轧双相钢的组织调控机理,进一步探讨了析出强化对马氏体相变强化的影响机制;基于此开发了新型高延伸凸缘型热轧F-M双相钢。采用TMCP工艺可获得抗拉强度为730～825 MPa的0.10 wt.%Ti热轧双相钢,并开发出DP780热轧双相钢。该类热轧双相钢更易出现板条马氏体,而且终轧温度的降低,可抑制纳米TiC的相间析出,促进其在位错线及位错胞上析出。纳米TiC析出相在生产线上空冷20 s即可充分析出,对屈服强度的贡献可达240 MPa左右。引入析出强化后,马氏体相变强化对屈服强度的强化效果由3.60 MPa/%降低至1.24 MPa/%,对抗拉强度则由6.47 MPa/%降低至3.80 MPa/%。对于特定强度级别的热轧双相钢,纳米TiC的析出强化可减小双相钢中的马氏体含量,降低铁素体/马氏体两相硬度差,从而有效改善延伸凸缘性能。基于此,在CSP生产线开发出新型高延伸凸缘型热轧F-M双相钢,平均极限扩孔率高达143%。(7)在“前置超快速冷却+后置超快速冷速”的新一代TMCP工艺下,研究了兼具细晶、析出及相变强化的综合强化型Ⅲ类热轧双相钢的组织调控机理,并探讨该类热轧双相钢的应变硬化行为及强韧化机制。对于Ⅲ类热轧双相钢,其铁素体晶粒尺寸约为2.4μm且具有大量纳米TiC析出粒子,因而具有高强度、高韧性和低成本等特征。在三种强化机制的综合作用下,热轧双相钢的应变硬化能力在Ⅰ阶段非常显著,但在Ⅱ阶段减弱,在Ⅲ段的位错湮灭速率加快,导致最终总体的应变硬化能力降低。在热轧双相钢中,细晶强化和析出强化对屈服强度的贡献不满足线性叠加关系,二者相互影响,通过均方根叠加的关系实现强化。超快速冷却条件下,铁素体基体晶粒的细化使上冲击平台提高。在细晶及分支开裂的共同作用下,脆性断裂得到显著推迟,对于抗拉强度为720MPa的热轧双相钢,其韧脆转变温度降低至—100℃以下,具有优异的低温韧性。