孪生诱导塑性(TWinning Induced Plasticity,简称TWIP)钢拥有极其优良的强度、塑性和成形性能,满足了汽车用钢高强高塑性的双重标准。TWIP钢是由位错滑移与孪生机制共同诱发塑性,掌握其塑性变形过程中微观机制相互作用机理及其对宏观增强增塑的影响规律是亟需解决问题之一。为揭示各变形机制微结构演化特征及其宏观增强增塑机理,本文以TWIP钢塑性变形微区位错与孪生联合作用的跨尺度表征为切入点,分别发展了微观、细观和宏观尺度相对应的离散位错动力学、物理基唯象位错动力学和晶体塑性有限元方法,并进一步建立了离散位错与晶体塑性非直接耦合的跨尺度力学模型,系统研究了 TWIP钢变形过程中从微观到细观进而到宏观的塑性变形行为。本文的主要研究成果如下:考虑TWIP钢塑性变形过程孪晶、晶界与位错的相互作用,引入孪晶界位错反应及其拓扑反应准则,建立了耦合孪晶的TWIP钢多晶三维离散位错动力学(3D-DDD)模型。该模型直观描述了位错在孪晶界和晶界的反应过程,尤其是不同位错在孪晶界的分解反应。应用该模型定量研究了 TWIP钢塑性变形过程中孪晶对流动应力的贡献。结果表明,孪晶取向对流动应力影响具有明显的取向效应,在有利取向下,位错运动至孪晶界发生分解反应形成孪生位错协调塑性变形,此时孪晶对流动应力贡献较小。采用位错理论耦合孪生能量方法分别定量计算了孪晶表面源和内部源形核、长大对应的临界孪生应力,确定了 TWIP钢单晶孪晶内部源形核和表面源长大的激活演化方式,建立了考虑孪晶形核、增殖和长大的物理基唯象位错动力学(DD)模型,研究了 TWIP钢单晶塑性变形过程中孪生机制演化特点及其内在机理。结果表明,TWIP钢单晶孪晶演化过程中临界形核应力大于长大应力导致软化效应。此外,同一晶体取向下拉伸和压缩过程中不同的位错分解反应导致孪晶形核的拉压非对称。基于晶体塑性理论,在滑移阻力模型中引入位错密度描述位错间相互作用对硬化行为影响,引入多晶均匀化方法处理相邻晶粒间的几何协调和应力平衡,建立了耦合滑移和孪生机制的位错密度基晶体塑性有限元(CPFE)模型。应用于TWIP钢单晶取向效应及多晶不同加载条件的织构演化研究。结果表明,TWIP钢单晶典型取向单向加载下孪晶体积达到饱和时,孪晶发生转向,从而导致新的滑移系启动,造成应力突降。此外,TWIP钢拉伸过程织构密度水平随应变增加而增强;而压缩过程织构类型变化而密度水平基本不变;扭转应变沿径向方向逐渐增加,扭转变形较小时,无织构形成。通过3D-DDD从微观尺度模拟研究TWIP钢拉伸过程位错在孪晶界和晶界的演化过程,采用统计方法对比分析了孪晶界和晶界对位错滑移的阻碍强度,并将该结论传递至CPFE模型,建立了 3D-DDD和CPFE非直接耦合的跨尺度模型,进一步采用CPFE研究了 TWIP钢变形过程弧形硬化曲线形成机理。结果表明,孪晶体积增加导致位错密度增加率大于动态回复导致的位错密度减少率时应变硬化率增加,形成弧形硬化曲线;晶粒尺寸越小,应变硬化率峰值应变越小。