晶内针状铁素体作为提高船板钢强韧性的关键环节,其形核形貌机理是影响钢材力学性能的重要因素。深入研究铁素体三维形貌能够有效地预测钢铁组织的演变过程,配置最合理的成分和有效的热处理制度。课题首先利用淬火相变仪测定了针状铁素体的最佳析出温度与冷速范围,为原位观察试验的热处理工艺图做参考,通过计算第二相粒子全固溶温度分析了其对奥氏体的钉扎作用;又利用聚焦离子束(FIB)构建了晶内针状铁素体、晶界铁素体以及连锁组织的三维形貌,通过背散射电子束(EBSD)表征了晶粒之间取向关系;利用高温共聚焦显微镜原位观察技术分析了铁素体相变析出的过程,计算了铁素体实际生长速率;最后通过Matlab计算了扩散型相变下铁素体内部元素理论扩散模式。研究结论如下:1)有利于析出大量针状铁素体的相变温度为757℃~569℃,冷速控制在5℃/s~15℃/s;试验钢在1200℃等温2小时,即可得到200μm的奥氏体;NbC的固溶温度范围为825℃~1051℃,与试验中奥氏体尺寸急剧变化所对应的温度相符,说明NbC的钉扎作用明显。2)750℃等温1min后,针状铁素体生长速率较快,所得三维形貌表面存在大量缺陷,不利于钢材的性能,发现亚晶粒;700℃等温1min后,针状铁素体生长速率较慢,三维形貌为表面光滑的八棱锥形,无亚晶粒,有利于形成致密的连锁组织从而提高钢材强韧性。3)晶界面铁素体三维形貌为扁平状,表面存在大量沟壑,晶界棱铁素体三维形貌为具有尖顶的三棱锥状,魏氏铁素体晶粒三维形貌为“钉耙状”,是由一次魏氏体和二次魏氏体两部分组成,这些现象都不利于钢材的性能。4)建立了准平衡模型与局部分配模型的溶质扩散模型,与试验铁素体生长速率相吻合,并且解释了针状铁素体三维形貌的形成机理,此模型能准确计算不同试验钢中成分与热处理温度下溶质元素扩散模式,并准确预测铁素体的三维形貌,对钢铁材料热处理制度的选定具有重要的指导意义。图62幅;表5个;参67篇。