钢铁材料作为日常生活中最常见的金属结构材料,广泛应用于各个领域。低成本高强度的钢铁材料一直是工业应用所追求的。如何使低成本的低碳低合金钢的综合力学性能进一步提升,对于工业界和科研人员而言一直是一个重大挑战。最近,新兴的异构材料凭借其优异的综合力学性能及其简单的制备方法得到广泛关注。由于结构单元的空间尺度和力学性质差异显著,因此异构材料的变形行为表现出诸多与均质结构材料不同的特征,使异构金属材料的强韧性能远优于传统金属材料。因此,金属材料的跨尺度异构成为一种极具潜力的提高材料力学性能的方法。本文主要围绕低成本的低碳低合金钢,灵活地运用异构材料的理念设计异构低碳钢的微观结构,获得具有优异综合力学性能的低碳低合金钢。首先,以异构材料理想的模型结构（硬组元完全包围/约束软组元）为指导,针对具有不同初始结构的低碳钢,通过合适的变形及热处理工艺,制备了具有高硬相比例的异构双相钢,并系统研究了异构双相钢的强韧化机制。然后,本文还将异构材料的理念应用于超高强度低碳钢的制备,通过简单的两步法成功将低碳钢的晶粒尺寸细化至17.8 nm,这种纳米层片结构低碳钢的屈服强度和抗拉强度分别达2.05 GPa和2.15 GPa。最后,针对高强低韧的纳米层片结构低碳钢,本文提供了两种可行的增韧方案,在保持超高强度的同时提高材料的延伸率。本文的主要研究成果包括:（1）针对冷轧铁素体+珠光体钢板进行不同温度的临界热处理制备了马氏体体积分数在60%以上的异构双相钢。与冷轧铁素体珠光体钢相比,异构双相钢具有更好的强度和延伸率匹配。随着马氏体体积分数提高,异构双相钢的强度提高,延伸率有所下降。其中,780℃热处理得到的异构双相钢（780DP）拥有1.51 GPa的高强度和7.6%左右的均匀延伸率,820DP具有1.74 GPa的高强度和4%左右的均匀延伸率。试验结果表明,随着硬相比例增加,变形过程中样品的异变诱导应力（Hetero-deformation induced stress,HDI stress）和有效应力增加,带来显著的异变诱导硬化和位错硬化效果,这也是异构双相钢具有良好的强度和延伸率匹配的主要原因。（2）通过对初始结构为铁素体+珠光体的低碳低合金钢进行600℃温轧得到铁素体+球状碳化物组成的初始组织,并通过后续短时间临界热处理得到了层状异构双相钢。试验结果表明更大的温轧变形量可以更有效地促进细化晶粒和渗碳体球化,从而提供更多的奥氏体形核位置,促进奥氏体形成。在得到的层状异构双相钢中,40%温轧及840℃热处理得到的双相钢具有优异的综合力学性能,其强度高达1559 MPa的同时保持7.1%的均匀延伸率。优异的综合力学性能来自于其层状异质结构。在这种结构中,层片状的铁素体镶嵌在马氏体基体中。随着马氏体体积分数提高,层状异构双相钢中的包申格效应和HDI应力水平随之提高。这主要来自于铁素体/马氏体之间的力学不均匀导致的介观尺度上分布的高水平内应力。（3）通过提高铁素体/马氏体之间的变形协调性,并结合钢铁材料中间隙原子对界面和位错的钉扎作用可以获得具有超高强度的纳米片层结构低碳钢。本文通过简单的两步法,即简单的热处理细化配合工业常用的温轧成功制备了平均晶粒尺寸为17.8 nm的纳米片层结构双相钢,并达到了2.15 GPa的超高强度,打破了低碳低合金钢晶粒尺寸细化和强化的记录。在90%轧制变形量时,300℃温轧表现出比室温冷轧更高的晶粒细化效率（分别为17.8 nm和54.6 nm）,其晶粒细化机制主要包括以下两个方面:首先,温轧提高了铁素体/马氏体之间的变形协调性,马氏体可以承担更多的变形量,和铁素体协同变形,同时细化;然后,300℃温轧过程中碳原子运动能力提高,会钉扎位错并倾向于在界面附近偏聚,从而使纳米结构更加稳定。（4）针对300℃温轧得到的超高强度的纳米片层结构低碳钢,探索了可以保持超高强度,同时提高韧性的方法。为了实现这一目标,主要设计了两种方案。第一种方案是以纳米片层结构双相钢为前驱组织,探索合适的热处理工艺,制备高强韧异构双相钢。其中,80%温轧及760℃保温15 min的样品（80%-760DP）形成的细小马氏体包围等轴状铁素体的异质结构,其具有优异的综合力学性能,抗拉强度为2 GPa,均匀延伸率可以达到5.2%。相比于其他样品,80%-760DP中软硬相之间更高的强度差异以及软相被周围马氏体基体完全约束的微观结构使其在变形初始阶段应变配分更加显著,从而导致更强的HDI硬化效果,使其具有优异的力学性能。第二种方案是将纳米片层双相结构通过合适的热处理转变成超细板条马氏体结构。通过对纳米片层结构钢进行870℃不同保温时间热处理制备了具有超高强度的板条马氏体,其中870℃保温15 min的样品可以保持2.0 GPa的抗拉强度,同时均匀延伸率和断裂延伸率可以提高至4.6%和8.8%。这种超高强度的板条马氏体与直接淬火得到的马氏体相比,强度和延伸率同时提高。这主要是由于对纳米片层结构进行合适的热处理可以细化原始奥氏体晶粒,进而细化Packet、Lath等内部多级分层结构。此外,位错密度也随着原始奥氏体晶粒减小而提高。根据混合法则,更细小的有效晶粒尺寸带来的界面强化以及更高的位错密度导致的林位错强化使得到的马氏体结构具有超高强度。