固态相变及形变是提高钢铁力学性能的重要手段,它们是开发超高强钢的基础。共析钢被誉为天然的复合材料,具有高的抗拉强度,经室温大变形后,其抗拉强度可达5.7GPa,甚至比马氏体时效钢和形变热处理钢均高出～1GPa。大变形共析钢是目前已知强度最高的钢材,其高强度源自自身珠光体组织的超细化,半个世纪以来,众多中外学者都对其极为关注并进行了诸多探讨,然而对于大变形后组织超细微化引起的相稳定性问题、碳的分配以及时效过程一直都存在争议。本文通过力学性能测试,扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、三维原子探针(3DAP)、穆斯堡尔谱和内耗等测试方法系统地研究了共析钢在室温拉拔、表面机械研磨大变形及时效过程中微观组织的演化规律,探讨了大变形条件下渗碳体相稳定性问题及时效析出机制,获得以下主要研究结果。通过对拉拔大变形共析钢在不同应变量下的力学性能及微观组织演化的研究表明,随着应变量增加,共析钢抗拉强度以及名义屈服强度会随之增加,珠光体层片细化并伴随其中渗碳体变形和晶体位向转动。晶体学计算表明,渗碳体在转动不同角度后仍有足够滑移系可开动,以满足形变的条件。由穆斯堡尔谱和3DAP测试研究结果可见,应变量的增加导致了渗碳体分解量的增加,至真应变为2.89时有约一半渗碳体分解,同时1.02at.%碳原子在高位错密度的铁素体中过饱和存在,铁素体/渗碳体界面在变形过程中演变为高能量高缺陷结构,约4.62at.%碳原子在界面处偏聚。根据穆斯堡尔谱和3DAP实验结果研究分析得到位错穿过具有塑性变形能力的纳米尺寸渗碳体片层,带走渗碳体中碳原子。3DAP的实验进一步揭示了在锰原子浓度高的地方对应着碳原子和铁原子的低浓度,说明锰可能促进了渗碳体的分解。同时,通过对碳原子在界面偏聚热力学以及铁素体中位错饱和溶碳量分析,阐明了由于铁素体中纳米级亚晶界和高位错密度的存在导致渗碳体分解后碳原子在铁素体中得以过饱和存在。利用X射线衍射、透射电镜测定以及背散射穆斯堡尔谱测定了经过表面机械研磨(SMAT)的4#(Fe-0.80wt.%C-0.61wt.% Mn-0.28wt.%Si-0.15wt.%V)共析钢表层微观组织以及相结构。研究表明:原始组织为层片状铁素体/渗碳体两相组织的共析钢经过SMAT处理后,铁素体晶粒由于位错产生和位错缠结形成位错胞,然后位错胞分割晶粒使铁素体细化至纳米尺度,而渗碳体在强塑性变形下,片层弯曲、断裂后分解成体心立方铁素体及石墨。并证实在表面机械研磨大变形条件下室温获得了本来在高温存在的面心立方奥氏体相。通过热力学计算分析认为,大量碳原子在铁素体中的过饱和存在以及经SMAT处理后纳米晶粒界面应力,这两个因素共同作用促使铁素体在强变形条件下发生奥氏体逆转变的温度降低,造成高温奥氏体相在室温形成。对真应变为2.89的拉拔大变形共析钢在200℃～600℃时效1h后进行力学性能测试。研究表明,随着温度的升高抗拉强度以及名义屈服强度先升高后降低,200℃时效能得到最大抗拉强度及屈服强度,而400℃时效可以获得较平衡的强度和塑性综合力学性能。通过透射电镜观察进一步探讨了力学性能提高的内在原因。研究表明,200℃时效过程中细小的ε碳化物在铁素体与渗碳体界面处析出,其对可动位错的钉扎作用导致了力学性能提高;而400℃时效过程中碳化物弥散析出后继续长大降低了材料强度,但仍在一定温度范围对晶界起钉扎作用,使铁素体再结晶温度提高,同时界面处位错密度的降低使内应力得到松弛,塑性得到相对提高。通过研究真应变为2.89的共析钢在时效过程中电阻率的变化规律,分析了该钢的时效动力学过程。研究表明,时效过程分为两个阶段:80℃～200℃(3600s),电阻率随着时效时间增加先增加后降低;200℃～298℃,电阻率随时效时间延长而降低。基于Johnson-Mehl-Avrami方程计算了各过程的时间常数以及表观激活能。揭示了大变形共析钢时效机制:由于大变形共析钢微观组织中铁素体基体和铁素体/渗碳体界面存在大量位错以及缺陷,大变形后获得的过饱和铁素体和高浓度界面偏聚碳为碳化物析出提供热力学驱动力,而高能界面处为渗碳体晶粒形核提供有效形核位置,碳原子的长程扩散控制着ε碳化物向θ碳化物的转变和析出相的生长。由于大变形共析钢时效析出过程具有与马氏体时效回火过程的相似性,本文基于Becker-D?ring形核长大模型提出了大变形共析钢晶界时效析出动力学模型,运用该模型可分析大变形共析钢渗碳体析出动力学曲线。