微合金钢由于其兼具高强度、高韧性和良好的焊接性能而成为一种多用途工程材料,广泛应用于石油、桥梁、舰船等基础行业。这类钢主要通过细晶强化和Nb（C,N）、V（C,N）等微合金碳化物/碳氮化物沉淀强化获得良好的强韧性。以超快速冷却技术为核心的新一代 TMCP（Thermo Mechanical Control Process,TMCP）可有效实现再结晶行为、相变行为和纳米碳化物析出行为的精确控制。为充分发挥新一代TMCP技术在微合金钢组织性能调控中的作用,需要明确超快速冷却条件下的微合金化设计原理,阐明超快速冷却在再结晶行为、相变行为和纳米碳化物析出行为调控中的作用机制。本文系统研究了合金元素Nb和V对奥氏体再结晶、相变和析出行为的影响规律,阐明了超快速冷却在微合金钢组织性能调控中的作用机制,分析了线能量对微合金钢热影响区组织性能的影响规律。基于超快速冷却技术,实现了 Q460GJ钢的减量化工业试制。论文主要研究内容和结果如下:（1）系统研究了微合金元素对奥氏体再结晶行为的影响规律及机理,建立了相关热力学和动力学模型。采用单道次和双道次压缩热模拟试验研究了 Nb质量分数为0.035%（以下简称0.035Nb）、V质量分数为0.05%（以下简称0.05V）、Nb质量分数为0.042%和V质量分数为0.05%（以下简称0.042Nb-0.05V）以及Nb质量分数为0.035%和V质量分数为0.10%（以下简称0.035Nb-0.10V）实验钢的奥氏体再结晶行为。研究结果表明,Nb微合金化可显著提高动态再结晶激活能和静态再结晶激活能,Nb的质量分数每增加0.01%,动态再结晶激活能增量ΔQDRX约为11.61kJ·mol-1,静态再结晶激活能增量ΔQSRX约为14.96kJ·mol-1。V对动态再结晶激活能基本无影响,但V略微提高静态再结晶激活能,V的质量分数每增加0.01%,ΔQSRX约为1.19KJ·mo1-1。（2）系统研究了不同成分微合金钢的连续冷却相变行为,明确了 Nb和V对奥氏体相变行为的影响规律。绘制了 Nb、V、Nb-V微合金钢的动态CCT（Continuous Cooling Transformation,CCT）曲线。结果表明,Nb微合金化显著缩小铁素体相变区间,扩大贝氏体相变区间,提高淬透性,0.05V钢中添加质量分数为0.042%的Nb可使Hmax（理论硬度最大值）提高55.6HV。当冷却速度为0.5～5℃/s时,V对铁素体相变几乎无影响,当冷却速度大于10℃/s时,V具有促进贝氏体相变的作用,0.035Nb钢中添加质量分数为0.10%的V可使Hmax提高5.7HV。（3）研究了 Nb微合金碳氮化物在奥氏体中的应变诱导析出行为,VC在铁素体中的析出行为,阐明了超快速冷却在析出调控中的作用机制。绘制了 Nb、Nb-V和Ⅴ微合金钢的 PTT（Precipitation Temperature Time,PTT）曲线。结果表明,0.035Nb 钢 PTT曲线的“鼻尖”温度在900℃左右。0.035Nb钢中添加质量分数为0.10%的V基本不影响PTT曲线的“鼻尖”温度,但可以提高析出驱动力,使PTT曲线向左移动。0.05V钢PTT曲线的“鼻尖”温度在670℃左右,析出粒子尺寸随着等温温度的降低而减小,在650℃等温5s时,尺寸在4～6nm之间的析出粒子所占比例达到20%以上,可以获得较大的沉淀强化效果。（4）基于新一代TMCP工艺,研究了冷却路径对微合金钢的组织性能演变的影响规律,并进行了减量化成分设计。在超快速冷却条件下,研究了化学成分及工艺参数对微合金钢组织性能的影响。结果表明,在830℃终轧后空冷至730～770℃再超快冷至580～620℃工艺下,含Nb微合金钢均可获得优异的力学性能,微观组织以细晶多边形铁素体为主,Nb在此工艺条件下析出充分,可形成大量的纳米碳氮化物,0.042Nb-0.05V钢较0.05V钢屈服强度可提升100MPa左右。V对强度提升的作用有限,0.035Nb钢中添加质量分数为0.10%的V,屈服强度提高约为50MPa。（5）研究了 V微合金钢的焊接性能,明确了焊接热影响区强韧性控制机理。研究了焊接线能量对V微合金钢焊接热影响区组织性能的影响。结果表明,随着焊接线能量的增加,焊接热影响区组织粗化。当焊接线能量小于30kJ·cm-1时,可获得优异的低温韧性;当焊接线能量大于30kJ·cm-1时,由于大块M-A岛组织形成,显著降低低温韧性。此外,Al2O3伴随MnS的复合夹杂物能够有效促进针状铁素体形核,具有改善焊接热影响区低温韧性的作用。（6）基于上述实验研究,进行减量化成分设计,实现了 Q345GJ钢升级Q460GJ钢的工业试制,性能完全满足目标要求。