大线能量焊接技术是利用高强度钢进行大型装备和结构的制造和施工、提高焊接效率和构件可靠性的重要技术。焊接热影响区奥氏体晶粒粗化和脆化是影响大线能量焊接用钢及其使用性能的主要问题。针状铁素体是一种能有效细化原奥氏体晶粒和提高焊接粗晶区韧性的组织。因此，从钢铁材料相变与组织控制的角度出发，探索针状铁素体的组织特征和形成机制，对于开发大线能量焊接用钢具有重要的理论意义和极大的工程应用价值。　　本文采用高温共聚焦激光显微镜技术、连续截面和计算机辅助三维重建技术、电子背散射衍射技术和金属包埋切片微米-纳米表征法等方法对针状铁素体的形核、长大行为、三维形态、取向关系、晶粒细化机制进行了系统的研究。主要研究结果如下:　　(1)低合金高强度钢焊接热模拟过程在合适的冷却速度下，奥氏体组织开始分解成针状铁素体和贝氏体。当奥氏体晶粒细小时，易于形成贝氏体组织。当奥氏体晶粒较大时，易于形成针状铁素体组织。原位观察结果表明，形成针状铁素体的临界奥氏体直径为55μm。针状铁素体既可在晶内夹杂物上单个或者多维形核，也可在已经形成的铁素体表面感生形核，并且快速长大。先形成的针状铁素体有效分割原奥氏体晶粒，限制后续形成的针状铁素体和贝氏体的长大，从而获得细小晶粒的针状铁素体和贝氏体的混合组织。这种混合组织的有效晶粒尺寸远小于原奥氏体晶粒尺寸。　　(2)针状铁素体快速长大，每个铁素体在长大过程中都保持相对稳定的速率。对在620℃到555℃之间形成的铁素体板条进行测量，长大速度最大值、最小值和平均值分别为190.5μm/s、33.3μm/s和87.6μm/s。将测量值和由Hillert提出的半经验公式在准平衡和不分配局域平衡条件下的理论值进行对比发现，实际测量值都在准平衡和不分配局域平衡条件的理论值之间，表明铁素体板条长大受碳扩散控制。通过Hillert-Sundman模型计算了合金元素的溶质拖曳效应，发现620℃-555℃区间溶质拖曳效应对针状铁素体长大速率影响不明显，速率的降低是由界面固有摩擦造成的。　　(3)粗晶区针状铁素体呈现板状或条状，三维重建获得的针状铁素体平均长度、宽度和厚度分别为22μm、9μm和3μm。粗晶区晶粒细化机制是由先形成的针状铁素体把原奥氏体晶粒分割成许多较小的相对独立区域，在稍低温度下形成的贝氏体被限制在这些细小区域内长大，因而得到了细小的贝氏体和针状铁素体的复合组织。　　(4)焊缝中Mn离子扩散到夹杂物内部使得夹杂物周围形成贫锰区诱导针状铁素体形核。针状铁素体在夹杂物上单个和多维形核，以及在铁素体表面激发形核，铁素体与原奥氏体保持固定取向快速长大，铁素体之间相互硬碰撞和相互交割，这些共同特征导致了焊缝金属中针状铁素体联锁组织的形成。　　(5)采用热压连接方法研究发现纯Ti2O3促进铁素体形核能力强，ZrO2次之，Al2O3没有形核能力。增加钢中Mn含量能使得氧化物诱发铁素体形核能力加强。原因为Mn离子扩散进入Ti2O3或者ZrO2中，形成贫Mn区，从而促进铁素体形核。　　(6)采用钛锆复合脱氧技术开发了大线能量焊接高强度海洋结构用钢。相比采用传统铝脱氧钢而言，钛锆复合脱氧的钢第二相粒子数量更多，并且细小弥散;形成的贝氏体和针状铁素体混合组织的晶粒更加细小均匀。钛锆复合脱氧钢的力学性能更好且更加稳定。对焊接性的研究结果表明，钛锆复合脱氧钢粗晶区奥氏体晶粒尺寸更细小，针状铁素体含量更多，低温冲击韧性明显高于采用铝脱氧的钢。　　(7)在相同焊接热循环下，无Cu钢粗晶区中的夹杂物为Al-Ti复合氧化物外层附着MnS;含Cu(0.32％)钢粗晶区中的夹杂物为Al-Ti复合氧化物外层附着析出MnS和CuS。由于CuS比MnS与铁素体有更好的晶格匹配，使得夹杂物诱发针状铁素体形核的能力提高4～5倍，粗晶区中针状铁素体含量增加3～4倍，含Cu钢粗晶区的低温冲击韧性大幅度提高。