近年来,随着我国国防军工、电力、核工业、轨道交通、船舶等经济领域的快速发展,相关行业对于无磁钢的市场需求迅速增长。欧美发达国家、日本和前苏联都曾经对无磁钢进行过广泛和系统的研究,发展出Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Mn-N、Cr-Mn-N等多个系列的无磁不锈钢和Fe-Mn-Ci-C、Fe-Mn-Al-C等高锰无磁结构钢,形成了品类齐全、覆盖各个强度级别的一系列无磁钢品种,也申请了大量相关专利。而国内对于无磁钢的研究起步较晚,产品牌号较为有限,对其应变硬化和强韧化机制的认识也不充分。因此,本文依托于国家自然科学基金项目“异步热轧高锰奥氏体无磁钢的退火孪晶形成机理”,设计了 F-20/27Mn-4Al-0.3C(以下简称20Mn和27Mn)两种高锰无磁钢,围绕其热轧过程的组织演变与强韧化方法展开研究,目的是为开发和制备组织稳定和性能优良的高锰无磁钢新品种提供必要的理论依据和技术支持。本文的主要工作和研究成果如下:(1)研究了中低层错能的20/27Mn无磁钢的热变形特性,采用热力学模型计算了其层错能,分析了 Mn含量对热变形过程中流变应力、动态回复和再结晶行为的影响规律,并建立了相应的高温本构方程和变形抗力模型,用作异步热轧过程应力应变的计算模型。结果表明,Mn含量增加主要是以提高层错能的方式影响高锰无磁钢的热变形行为。随着Mn含量的提高,由层错能升高引起的动态回复软化效果超过由于Mn含量增加引起的加工硬化效果,导致峰值应力减小,同时由于层错能增加,动态再结晶受到抑制,使峰值应变略微推迟。(2)研究了中低层错能的20/27Mn无磁钢在室温拉伸变形过程中的应变硬化机制,分析了 Mn含量变化对变形过程中位错密度、形变孪晶体积分数、孪生临界应力和力学性能的影响,并估算了不同变形机制对高锰无磁钢的应变硬化贡献量。结果表明,中低层错能的高锰无磁钢的应变硬化机制始终以位错强化为主,在变形过程中有形变孪晶和剪切微带形成,不过孪品诱导塑性(TWIP)和剪切微带诱导塑性两种变形机制产生的强化效果不大。随着Mn含量的增加,高锰无磁钢的室温拉伸强度和均匀延伸率均有所下降,但冲击韧性得到提高。另外,在应变硬化过程中,Mn含量增加一方面会导致变形过程中产生的位错密度增加,从而提高高锰无磁钢的加工硬化率,另一方面,会通过提高层错能明显抑制变形过程中的形变孪晶生成,使得TWIP效应减弱,塑性降低。(3)提出了通过异步热轧工艺实现高锰无磁钢热轧板细晶强化的工艺方法,研究了异步热轧工艺参数,包括异速比、轧制温度、轧辊速度和变形量对20Mn无磁钢的晶粒细化、剪切织构和再结晶织构形成、厚向组织梯度以及力学性能的影响。同时发现了在异步轧制过程中并不常见的旋转铜织构作为剪切织构出现,并从滑移系选择和晶体学取向关系的角度解释了异步热轧剪切织构和旋转铜织构的形成原因。结果表明,同步热轧钢板沿厚度方向的剪应变呈上下对称分布,心部没有剪应变。而异步热轧钢板的厚向剪应变呈非对称和不均匀分布,导致钢板沿厚度方向存在明显的组织梯度。随着异速比和轧制压下量的增加,钢板受到的剪应变增加,形成表层细晶区,同时向钢板心部的变形渗透性增强,促进了心部再结晶形核。异步热轧钢板表层细晶区晶粒尺寸可达3～5 μm,心部晶粒能够细化至6～9 μm,屈服强度比常规热轧钢板提高约100 MPa,晶粒细化效果和强度级别接近于完全再结晶退火后的冷轧钢板。(4)比较了采用常规热轧、异步热轧和冷轧退火三种工艺制备的20Mn无磁钢中退火孪晶密度和退火孪晶占大角度晶界的比例,分析了退火孪晶密度与冷轧退火工艺参数以及奥氏体晶粒尺寸之间的关系,并通过线性回归得到了大角度晶界密度、退火孪晶密度与晶粒尺寸的关系模型。结果表明,退火孪晶的形成与晶界迁移程度有关,退火孪晶密度只与晶粒尺寸有关,与冷轧退火工艺参数无关。常规多道次热轧的退火孪晶界比例最高,其次是异步热轧,而冷轧退火钢板的退火孪晶界比例最低。这可能与异步热轧和冷轧退火两种工艺中再结晶形核和长大方式的不同有关。因此,虽然较大冷轧变形结合适当退火工艺能够起到相同的晶粒细化效果,但与异步热轧相比,冷轧退火工艺抑制了晶内退火孪晶界的生成。(5)利用振动样品磁强计测量了不同冷轧变形量的20Mn无磁钢的磁滞回线,发现即便是中低层错能的20Mn无磁钢在冷轧变形量超过73%时仍会发生奥氏体向α’-马氏体的直接相变,中间过程没有ε-马氏体参与,少量的应变诱导α’一马氏体主要形核于{111}面剪切带与形变孪晶的交叉位置,是晶内两系剪切作用的结果。此外,采用CO2气体保护焊对两种高锰无磁钢进行了焊接实验,当焊接热输入量较小时,未发现焊接裂纹产生,奥氏体晶粒粗化不严重,焊接接头强度能够满足要求,但冲击韧性稍差。