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对于超高强度马氏体钢而言,其韧性通常较差。晶粒细化是唯一一种既能提高强度又能改善韧性的方法。为进一步提高超高强度马氏体钢的性能,材料研究者们在超细晶马氏体钢制备方面开展了大量的研究工作,开发了许多晶粒细化方法,如循环热处理、快速加热法和形变热处理等。但这些方法存在工艺繁琐、成本高等缺憾,很难适应当前工业化生产装备和流程的特点,极大地限制了工业化应用。因此,有必要在现有的生产装备和工艺流程的基础上,发展出简单的、可行的晶粒细化方法,以提高超高强度马氏体钢的综合力学性能。本文采用Nb-Ti和V-Ti复合微合金化成分设计,提出了将控制轧制、直接淬火和再加热淬火等工艺相结合,通过控制微合金第二相在钢中奥氏体区及铁素体区的析出,制备具有良好综合力学性能的超细晶超高强度马氏体钢的新思路。利用第二相在钢中的固溶度积公式,建立了一种四元第二相在奥氏体中的析出热力学模型,为钢铁材料微合金成分的设计及均热温度的确定提供理论依据。结合微合金碳氮化物在奥氏体中的析出行为,优化轧制工艺,以实现奥氏体晶粒的超细化。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电子背散射技术(EBSD)等实验手段对直接淬火钢的组织进行表征,分析了细晶直接淬火钢的组织特征及强韧化机理。在直接淬火钢的基础上,进一步尝试了利用再加热工艺实现奥氏体晶粒超细化。研究了热轧态奥氏体扁平化程度、初始组织、再加热温度和保温时间等因素对再加热后奥氏体晶粒细化的影响；探讨了直接淬火钢在再加热过程中实现奥氏体超细化的机理；表征了超细晶马氏体钢的组织结构特征及其力学性能。对复合微合金碳氮化物在奥氏体中的析出热力学和动力学的研究表明,相比于(V,Ti)(C,N),(Nb,Ti)(C,N)在均热及轧制过程中更易于析出。采用Nb-Ti复合微合金化,将控制轧制与直接淬火工艺相结合,通过控制(Nb,Ti)(C,N)的在奥氏体中的析出行为,获得了原始扁平奥氏体厚度小于5μm的超细晶直接淬火钢。其均热工艺为1180℃保温1h,粗轧温度为1020℃,精轧温度为780℃。实验钢经两阶段轧制后进行直接淬火,基体组织由板条马氏体、等轴铁素体、扁平化铁素体及少量残余奥氏体组成。与V-Ti直接淬火钢相比,Nb-Ti直接淬火钢中的铁素体含量较少,奥氏体扁平化程度更高,基体中的界面密度更大,获得了更加优良的强韧性配合。其横向抗拉和屈服强度分别达到1750MPa和1300MPa;纵向-40℃夏比冲击吸收功达到37J。研究发现,将直接淬火工艺与低温回火工艺相结合能够进一步提高直接淬火钢的力学性能。Nb-Ti超细晶直接淬火钢在200℃回火1h后,横向抗拉和屈服强度分别为1730MPa和1400MPa,纵向-40℃夏比冲击吸收功上升至43J,突破了相同强度级别传统马氏体钢的强韧性水平。根据Nb-Ti和V-Ti直接淬火钢的相分析结果,在V-Ti直接淬火钢的基础上,利用再加热工艺,成功实现了奥氏体晶粒超细化。V-Ti直接淬火钢在880℃保温1s,获得了平均晶粒尺寸仅为2μm的超细晶奥氏体。研究结果表明：增大热轧态奥氏体扁平化程度,采用马氏体为基体组织,降低加热温度,缩短保温时间均能在一定程度上细化再加热态奥氏体晶粒。V-Ti直接淬火钢在加热过程中,奥氏体主要集中于原始奥氏体晶界、铁素体晶界、铁素体/马氏体界面等大角度晶界处形核,且新形成的奥氏体晶粒基本呈球状。与传统马氏体钢相比,在加热过程中,V-Ti直接淬火钢中可供奥氏体形核的位置更多。且在加热过程中,V, Ti)C在基体中将自发形核,其析出过程主要受原子扩散的控制。随着温度的升高,(V,Ti)C在铁素体区的沉淀析出PTT曲线单调地向短时间方向移动。当温度大于Ac3时,加热及保温过程中,基体中已析出的(V, Ti)C粒子会重新溶解和粗化,而未溶的(V, Ti)C粒子能够钉扎奥氏体晶粒,起到抑制晶粒长大的作用。不同尺寸的奥氏体晶粒发生马氏体相变后组织特征的研究结果表明,超细晶奥氏体发生马氏体相变基本符合K-S关系,其相变后获得的马氏体组织与传统马氏体组织一样具有多尺度的亚结构单元。随着奥氏体晶粒尺寸的减小,单个原始奥氏体晶粒内部的马氏体变体数减少,基体中大角度界面密度,尤其是原始奥氏体晶界密度随之增加,基体中马氏体板条束尺寸和板条块宽度则随之减小。相比于传统的马氏体钢和细晶直接淬火钢,V-Ti超细晶马氏体钢获得了最好的强韧性配合。其横向抗拉和屈服强度分别为1670MPa和1460MPa,纵向-40℃下冲击吸收功为57J。