作为核聚变反应器托卡马克装置的首选结构性材料,低活化钢的力学性能一直是影响核聚变工程实验堆建设的关键性因素。本论文以低活化钢为原型进行成分、热机械处理、热处理工艺的设计,以调控钢种微观组织中的位错密度、马氏体block、析出相M23C6和MX,旨在实现低活化钢常规力学性能的提升,然后通过组织性能的分析指导低活化钢的进一步发展。为在保证强度的前提下提高低活化钢的韧性,首先通过成分和工艺的耦合设计优化基体和析出相,提出了一种新型的M-RAFM钢。关于成分,采用热力学相图计算来调控析出相;关于热机械处理和热处理工艺,采用改进的TMCP技术和中间热处理工艺细化析出相和马氏体block。实验结果表明,与CNA1和EUROFER97钢相比,M-RAFM钢组织构成更为合理,从而在保证充分的强度情况下大幅度提高了韧性。采用Olson强化模型对强化机制进行定量分析发现,M-RAFM在位错和析出强化方面仍有较大的改进空间。在M-RAFM的基础上,基于位错和析出优化提出四种不同成分低活化钢成分工艺改进方案,包括低Ti体系的RAFM#1以及高Ti体系的RAFM#2、#3和#4。成分设计中引入Ti元素,通过调整C、Ta、Ti含量以调控析出;关于工艺设计,采用热轧后直接回火。实验结果表明,RAFM#1（0.078Ta-0.022Ti）强韧性在M-RAFM的基础上得到进一步的提升,均达到世界先进水平;而细长条状的带状组织导致高Ti、Ta体系低活化钢冲击韧性显著恶化,未来可通过成分的调整以及正火回火温度工艺参数的优化进行进一步控制。最后,探究不同热机械处理工艺对低活化钢常规力学性能的影响。设计了热轧回火、未再结晶区轧制和两相区（γ+α）轧制三种方案,分别用T750、R750以及R900表示。不同热机械处理工艺在力学性能上呈现出各自的优势:T750具有更为优异的强韧性配比,R750塑性得到明显的提升,R900具有卓越的强度与硬度。组织性能对比分析发现,保温时间和轧制温度及压下量对低活化钢热机械处理工艺的优化设计至关重要。