本论文基于我国高性能海洋材料的发展需要,针对高强海洋工程用钢屈强比高、可焊性差和特厚钢板低温韧性不稳定等问题,开展460MPa级低屈强比海洋工程用钢和690MPa级低碳高韧性海洋工程用钢的成分设计、组织演变规律、组织与性能调控等原理研究,探索以多相组织调控来降低460MPa级别特厚海洋工程用钢的屈强比,提高低温韧性,改善焊接热影响区韧性的技术路线与工艺原理;以及利用低碳微合金化+优化调质工艺来提高690MPa级别特厚海洋工程用钢的低温韧性和焊接性的技术路线与工艺原理;开发了460MPa特厚低屈强比海洋工程用钢和690MPa低碳高韧性海洋工程用钢并实现了工业化推广。460MPa级特厚低屈强比海洋工程用钢工艺技术与组织调控研究显示,Cr、Ni、Mo合金组合会增加奥氏体稳定性,影响铁素体和贝氏体转变热力学与动力学参数;因此,合理设计Cr、Ni、Mo总体含量是保证实验钢在整个厚度方向上均获得多相组织的关键要素之一。相变动力学研究表明,铁素体相变过程中,相变结束温度和最大转变速率的峰值温度均随着冷速的升高而降低,这为特厚钢板不同厚度位置在同一时间段内得到铁素体组织提供相变基础;工业实践冷却工艺研究表明,降低终冷温度能够促进贝氏体形态由粒状贝氏体向板条贝氏体过渡,同时缩小心部马奥(MA)岛的尺寸及数量,增加贝氏体板条间大角晶界密度,从而显著提高抗拉强度,改善心部低温韧性,降低屈强比。460MPa级特厚低屈强比海工钢显微组织与力学行为研究显示,在整个厚度截面上均得到铁素体和贝氏体双相组织,但不同厚度位置上多相组织比例及形态有所不同。从表面到心部铁素体比例不断减少,1/4厚度铁素体比例为60%,1/2厚度铁素体比例为40%;同时贝氏体形态由板条贝氏体逐步向粒状贝氏体过渡,心部弥散分布细小MA岛。通过软硬相之间的交叉分布、比例及形态上的差异以及细小的MA组织,使多相组织钢在获得低屈强比、高均匀延伸率的同时,在厚度方向上获得了更好的强度均匀性,而且大幅提高了裂纹萌生功和扩展功,从而具有比单相组织钢更为优异的低温韧性。多道自动埋弧焊试验表明,与单相贝氏体钢相比,多相组织钢可显著改善亚临界热影响区的低温韧性;通过铁素体贝氏体间的大角度晶界分布,多相组织钢为亚临界热影响区部分奥氏体化过程提供更多的形核位置,显著细化重结晶奥氏体,从而获得更为细小弥散的部分重结晶组织,避免粗大链状MA组织的形成,因此,获得了比单相贝氏体钢更好韧性的焊接接头。690MPa低碳高韧性海工钢组织调控与工艺技术研究显示,不同奥氏体化温度对原奥氏体晶粒尺寸、内部的变体选择以及材料的韧脆转变温度有显著影响;当奥氏体化温度大于930℃时,韧脆转变温度与原始奥氏体晶粒尺寸呈Cottrell-Petch关系,原始奥氏体可代表有效晶粒;奥氏体化温度为880℃时,原奥氏体内部的Block界面和Packet界面所影响的晶体结构单元(有效晶粒)与韧脆转变温度呈现对应关系,临界奥氏体化温度(880℃)显著影响相变组织的变体选择,提高Block和Packet晶界密度,韧脆转变温度明显降低。工业化条件下,采用低碳合金设计+优化的调质热处理工艺,实验钢在100mm厚度截面上得到均匀的板条马氏体和贝氏体组织,钢板1/4厚度位置的韧脆转变温度在-80℃到-100℃之间,-100℃的冲击功仍能满足150J以上;1/2厚度位置的韧脆转变温度-60℃到-80℃之间,-80℃的冲击功仍能满足100J以上。690MPa级低碳高韧性海洋工程用钢焊接性能热模拟试验表明,单道次焊接粗晶热影响区中,组织类型及MA岛尺寸和数量分布是冲击韧性的主要影响因素;随着线能量的提高,冷却速度减慢,组织类型由板条马氏体向板条贝氏体组织转变,板条贝氏体有利于韧性的提高;但是MA数量逐渐增多,粗化,粗大的MA会导致韧性降低;在双重作用下,焊接粗晶区冲击功随着线能量的增大先升高后下降,在30KJ/cm时达到最大。多道自动埋弧焊试验显示,整个焊接热影响区最低冲击功112J,无明显脆性区,粗晶区中没有出现粗大的MA组织,原奥氏体晶粒度无明显粗化,从而使得粗晶区具有良好的低温韧性。