我国经济、社会的快速增长带动了钢铁行业的高速发展,同时也对钢铁材料的品种和质量等提出了更高的要求,新一代钢铁材料向着高强度、高韧性、低成本、减量化的方向发展。特别是随着人们对环境污染和矿产资源枯竭等问题的重视,微合金高强度钢的开发和研究受到了越来越多的关注,细晶强化和析出强化作为改善钢材综合力学性能的主要途径已经广泛的应用在微合金高强度钢的开发和生产中,因此,如何充分发挥微合金元素在细化晶粒和析出强化方面的作用成为控轧控冷工艺开发的一个关键问题。在中央高校基本科研业务费项目研究生科研创新项目(N110607006)的经费支持下,本文以添加Ti、Nb、Mo等元素的微合金钢为研究对象,利用热模拟实验系统研究了奥氏体高温变形行为、连续冷却相变行为、铁素体相变及纳米析出行为,丰富了钛微合金钢研究的一些基础理论,讨论了析出形式对铁素体相微观力学性能的影响,同时利用热轧实验研究了控轧控冷工艺参数对钛微合金钢力学性能和析出行为的影响,为现场工业生产提供了理论基础。本文的主要工作和研究成果如下：(1)通过单道次压缩实验研究了钛微合金钢奥氏体高温变形行为,分析了微合金元素以及变形参数对奥氏体动态再结晶的影响,同时建立了实验钢的变形抗力模型。结果表明,Ti、Nb、Mo的加入能够提高奥氏体的流变应力和热变形激活能,抑制奥氏体的动态再结晶,计算得到C-Mn、Ti、Ti-Nb、Ti-Nb-Mo实验钢的奥氏体热变形激活能分别为351kJ/mol、458kJ/mol、483kJ/mol、497kJ/mol。(2)通过连续冷却相变实验研究了奥氏体在连续冷却中的相变行为,绘制了实验钢的CCT曲线,分析了微合金元素、冷却速率以及变形在奥氏体相变过程中的作用。结果表明,Ti、Nb、Mo的加入能够提高奥氏体在连续冷却过程中的稳定性,抑制铁素体和珠光体相变,促进贝氏体相变；变形降低了奥氏体的稳定性,提高了相变开始温度,促进了铁素体相变,使铁素体相变的C曲线向左移动。(3)利用热模拟技术系统研究了微合金元素、等温时间、卷取前冷却速率、卷取温度、卷取后冷却速率以及变形对钛微合金钢铁素体相变和纳米析出行为的影响。研究结果表明,在卷取温度为640℃时,Ti、Nb、Mo等元素的加入能细化铁素体晶粒,同时在铁素体中形成大量的纳米析出相,显著提高铁素体的硬度；640℃等温时,随着等温时间的增加,铁素体的尺寸和体积分数逐渐增加,铁素体中相间析出的面间距增大；随着卷取前冷却速率的增大,铁素体的晶粒尺寸和铁素体中纳米析出的粒子尺寸减小,铁素体的显微硬度逐渐增大；随着卷取温度的降低,实验钢的组织从铁素体+珠光体向贝氏体转变,铁素体的晶粒尺寸逐渐减小,基体的显微硬度先升高后降低,卷取温度为640℃基体的显微硬度最大,在卷取温度为640℃和700℃时,铁素体中发现了排列规则的相间析出,卷取温度越高,相间析出的粒子尺寸和面间距越大；640℃卷取后,随着冷却速率的增大,实验钢的显微组织从铁素体+珠光体向贝氏体转变,实验钢基体的显微硬度呈现降低的趋势,卷取后采用较小的冷却速率同样能获得尺寸细小的铁素体,而且能够促进微合金碳氮化物在铁素体中的析出；随着变形程度的增加,铁素体的显微硬度先升高后降低,变形为22%时铁素体的显微硬度最大,变形的增加使相间析出的面间距增大。(4)利用纳米压痕实验研究了铁素体中析出对其微观力学性能的影响。结果表明,相同工艺下,C-Mn实验钢和Ti-Nb实验钢铁素体的纳米硬度分别为2.64GPa和4.19GPa,铁素体中纳米析出相将铁素体的纳米硬度提高了1.55GPa；卷取温度为600℃、640℃和700℃时铁素体的纳米硬度分别为3.90GPa、4.19GPa和3.60GPa。存在相间析出的铁素体晶粒的载荷-深度曲线在压入的初始阶段会出现一个平台,平台的长度与相间析出面间距的大小有关。不同卷取温度下铁素体晶粒内部纳米硬度的变化规律不同,600℃时铁素体晶界附近纳米硬度最大,晶粒内部纳米硬度变化不大；640℃时铁素体晶粒内部的纳米硬度基本不变；700℃时由于先形核的析出的消失和粗化,纳米硬度随离晶界距离的增加逐渐降低。(5)控轧控冷工艺研究结果表明,随着终轧温度的升高,抗拉强度和屈服强度先升高后降低,840℃终轧时实验钢的强度最高；卷取温度从460℃升高到675℃时,强度先降低后升高,在675℃卷取时,由于析出强化作用的加强,具有很好的综合力学性能；冷却速率的增大能够同时提高细晶强化和析出强化作用从而提高实验钢的强度：Mo的加入细化了铁素体晶粒和纳米析出粒子,从而将屈服强度提高了25-35MPa；与卷取后石棉冷却相比采用保温+炉冷工艺屈服强度提高了94MPa,抗拉强度提高了54MPa。在国内某钢厂成功试制了不同厚度规格的600MPa和700MPa级别微合金高强度钢,具有较好的综合力学性能,其中析出强化作用可以超过300MPa。