自从焊接技术被广泛应用于钢铁材料结构件的制造以来,焊接接头的组织演变以及相关性能的变化一直是焊接冶金领域的研究热点。由于焊接热循环(主要指熔化焊)具有加热速度快、峰值温度高和不均匀冷却等特征,导致焊接接头容易产生一些缺陷,在服役过程中更容易引发灾难性的事故。尤其对于高强钢来说,焊接组织冲击韧性、抗氢致裂纹等性能的恶化严重制约了钢种的实际应用。从相变基础理论研究入手系统地剖析焊接热循环过程中的相变行为和热影响区(HAZ:heat affected zone)的断裂微观特征对钢种焊接体系设计具有重要的指导意义。基于此,本文围绕一类低碳多元微合金化的高强度贝氏体钢(CF钢crack free steel)进行了系统研究。首先研究了等温贝氏体不完全相变现象。在贝氏体相变温度区间,出现两种不同相变行为的动力学曲线。基于Johnson-Mehl-Avrami总体相变动力学现象模型以及相变体激活能的计算等诠释了贝氏体相变机制：随着相变的进行,相变动力学主要由界面迁移控制机制向碳元素扩散控制机制转变。贝氏体不完全相变现象可以出现在两种不同情形下：一种是相变驱动力较小时(即等温温度接近于贝氏体相变上平台温度Th时),碳与固溶元素的耦合固溶拖拽效应短暂抑制了相变的进行；另一种是碳在剩余奥氏体中的富集降低了其化学Gibbs自由能,当剩余奥氏体与产物相的Gibbs自由能相等时,贝氏体相变停止。定量分析了奥氏体晶粒尺寸对连续冷却相变规律的影响。在相同冷却制度下,细小原始奥氏体晶粒可以降低相变临界温度,提高平均相变速度,获得了HAZ中亚区之间的相变顺序。采用电子背散射衍射(EBSD)技术分析了焊接热循环下部分贝氏体相变组织的晶体学取向特征：初生贝氏体板条与母相以及相邻奥氏体的取向关系均接近经典的Kurdjumov-Sachs (K-S)取向关系,这种变体选择降低了贝氏体的形核阻力。冷却制度可以影响贝氏体相变时的变体选择行为。当焊接冷却时间(t8/5)较长时,贝氏体板条以同一Bain区的小取向差角的变体配对为主,扩大了产物相的有效晶粒尺寸。这是形成粗大贝氏体组织的重要晶体学机制。根据不同冷却制度下初生贝氏体的取向特征,提出一种形核贝氏体惯习面与晶界面呈较小二面角的微区变体选择机制。针对HAZ组织的断裂微观特征进行研究。根据Griffith断裂理论结合动态断裂应力结果,建立了微裂纹的计算尺寸与硬脆相M/A (Martensite/austenite)组元宽度尺寸之间的关系,表明M/A组元宽度随焊接工艺的变化反映了微裂纹尺寸的变化。在解理裂纹的形核位置可以观察到块状M/A组元的界面分离机制促进解理开裂行为。有效晶界可以阻碍或抑制解理裂纹的扩展。但在粗大贝氏体组织中,一个Bain区内同时形成了多条微裂纹,通过微裂纹之间的合并导致快速完全解理断裂。基于双阻力(double barriers)模型,提出了两种不同基体组织的解理断裂模式。焊接冷裂纹实验研究表明当焊接热输入量为0.92kJ/mm时,实验钢的HAZ出现焊接冷裂纹(斜Y型坡口实验的横截面宏观裂纹率高达98.5%)。焊接冷裂纹主要分布在具有随机大角取向差(20～40°)的原始奥氏体晶界上,而小角晶界或CSL晶界(如低∑值的孪晶界)均相对难以形成冷裂纹。同时发现细晶区的开裂率远高于粗晶区,结合氢的扩散动力学和HAZ的相变规律,发现亚区的相变顺序可能是影响相变过程中扩散氢分布的一个内在本质因素。埋弧焊接实验表明实验钢的焊接热输入量范围应控制在1.4-2.5kJ/mm之间,焊接HAZ能够获得较好的冲击韧性。基于电化学氢渗透实验,获得不同工艺下焊接接头的氢渗透性能。热输入量的增加会提高焊接组织的稳态氢渗透通量和氢的表面扩散系数。高温回火后,组织中析出大量碳化物,这些析出相可以成为扩散氢的有效“氢陷阱”而降低了氢的表面扩散系数,并提高了扩散氢的固溶度。因此,回火工艺增大了焊接接头的环境氢脆倾向。