孪晶诱发塑性(TWIP)钢具有非常高的加工硬化能力、极高塑性和较高的强度，整体表现出非常优异的综合力学性能，在汽车工业领域具有广泛应用前景。自Frommeyer等学者1997~1998年首次提出TWIP效应并研发出TWIP钢以来，高强、高韧性TWIP钢一直备受关注。与其它先进高强度钢（AHSS）相比，尽管TWIP钢具有非常高的强塑积，但屈服强度很低，尤其是超低碳或无碳TWIP钢大多只有200MPa左右，其抗撞击能力明显较差，严重制约了在汽车工业上的应用。目前，TWIP钢的研究大多集中在无碳或超低碳(不大于0.03wt.%)和中、高碳(0.4wt.%及以上)方面，而对于低碳(小于0.2wt.%) TWIP钢的研究相对较少。本论文采用控轧控冷工艺制备了不同锰含量(15~30wt.%)热轧低碳（小于0.2wt.%）TWIP钢，系统研究了碳、锰对其组织、力学性能和变形行为的影响规律，并针对高锰(25wt.%及以上)低碳TWIP钢强度较低，设计了铌和钛(微)合金低碳TWIP钢，并采用同步和异步混合大变形轧制方式制备了冷轧高强韧低碳TWIP钢，系统研究了铌和钛添加量对低碳TWIP钢的组织、性能和变形行为影响，探讨了铌、钛(微)合金化热轧、冷轧退火态低碳TWIP钢的强化机理。主要得到以下研究结果：制备的双相（Delta铁素体-奥氏体）高强韧热轧低碳TWIP钢，抗拉强度可达1100MPa以上，延伸率45%以上，强塑积在52~65GPa%；制备的单相(奥氏体)热轧低碳TWIP钢，锰含量在25~30wt.%，抗拉强度在587~675MPa，延伸率62%以上，其强塑积不低于38GPa·%；锰和碳对热轧低碳TWIP钢的影响规律是：随着锰含量的增加，强度逐渐降低，延伸率逐渐增加；锰含量低于25wt.%的低碳TWIP钢主要由Delta铁素体和奥氏体的双相组织组成，变形方式以相变诱发塑性（TRIP）和孪晶诱发塑性（TWIP）共同作用为主；锰含量在25wt.%及以上，组织为单一的奥氏体组织，TWIP为其主要变形方式。碳含量的增加能够提高低碳高锰TWIP钢的奥氏体稳定性，抑制应变诱发马氏体相变（SIMT），并提高低碳TWIP钢的加工硬化能力；双相低碳TWIP钢中的Delta铁素体相的硬度几乎是奥氏体相硬度的两倍，这主要归因于Delta铁素体基体上析出了具有DO3结构的纳米尺度的金属间化合物；分析表明，“硬相”Delta铁素体和“软相”奥氏体之间的微观应力应变分配（stress-strain partitioning）所导致的局部应变（应力）集中，会直接影响宏观变形过程中奥氏体的稳定性。Delta铁素体显著提升了低碳TWIP钢的加工硬化能力。随着Delta铁素体分数的增加，软、硬相的应变分配比降低，奥氏体的稳定性提高，变形的主导方式由TRIP为主逐渐过渡到TWIP；双相低碳TWIP钢的拉伸曲线呈现典型的两阶段硬化特点，第一阶段：变形初期的应变硬化速率快速增加，应变诱发马氏体转变（SIMT: γfcc→εhcp→αbcc）是导致此变形行为的主要原因；第二阶段：变形中后期的应变硬化速率缓慢增加，拉伸曲线呈上凹特征，变形孪晶的大量生成是主要原因。分析认为，TRIP、TWIP和位错滑移等多种方式共同作用是热轧双相低碳TWIP钢呈现优异综合力学性能的主要原因；不同温度（室温以上）下的拉伸实验结果表明，随拉伸温度升高，双相低碳TWIP钢的强度下降，变形机制也发生改变：在室温和75℃变形，变形机制主要是TRIP和TWIP共同作用，当拉伸温度达到150℃时，变形方式主要为TWIP，整个过程没有SIMT发生，而300℃变形时，只有少量孪生发生，变形以滑移方式为主进行，300℃以上拉伸则不再发生孪生，变形以完全以位错滑移方式进行；Delta铁素体有助于提升低碳TWIP钢的高温抗拉强度。发现在28vol.%Delta铁素体的双相低碳TWIP钢的拉伸曲线中出现了一种特殊的“类-Lüders屈服”现象（Lüders-like yield phenomenon，LLYP），该LLYP现象伴随着显著的应力下降（超过100MPa）和较大的应变平台（工程应变：近10%）。LLYP形成过程发生了大量的应变诱发马氏体转变。分析认为，变形初期Delta铁素体的应变（应力）快速集中及随后爆发式SIM转变是该LLYP形成的重要原因，提出“Delta铁素体协助应变诱发马氏体相变”机制解释了该LLYP现象；在42vol.%Delta铁素体的双相低碳TWIP钢的拉伸曲线中同样存在较大的屈服平台现象。研究发现，该Lüders屈服平台形成过程中应变诱发层错有本质联系。分析认为，屈服过程中层错的快速形成与Delta铁素体的局部应变集中和组成相之间的应变分配有关。由于Delta铁素体体积分数的不同，导致变形过程中奥氏体相的应变分配比及应变集中速率的不同，是两种双相低碳TWIP钢的LLYP现象具有不同形成机理主要原因；可以通过组织调控，和预应变的方式来控制LLYP现象。建立了双相组织材料的应力应变关系及组成相的微观应力应变分配模型。模拟了宏观变形下，不同Delta铁素体体积分数下双相低碳TWIP钢的微观应力应变分配情况，Delta铁素体和奥氏体两相之间的应变分配对双相低碳TWIP钢的变形行为和奥氏体稳定性有重要影响， Delta铁素体体积分数不同所导致的应力应变分配的不同，是双相TWIP钢产生不同变形行为的重要原因。所制备的铌、钛(微)合金化低碳TWIP钢（30wt.%Mn）呈现出优异的综合力学性能，综合性能达到了现有典型中高碳TWIP的水平，明显优于现有超低碳或无碳TWIP钢的性能指标。采用异步与同步混合轧制(ASR+SR)是制备高强韧低碳TWIP钢的有效途径，该方法制备的Fe-0.08C-30Mn-0.5Nb(wt.%)低碳TWIP钢，经600℃退火后，其屈服强度可达到1000MPa，经800℃退火后，其屈服强度达到560MPa，强塑积达到65GP%。铌、钛的添加量对低碳TWIP钢的组织与性能的影响规律是：随着铌、钛添加量的增加，材料的组织细化，屈服强度明显提高。但是，添加微量铌(<0.1wt.%)对低碳TWIP晶粒的细化和强度的提升效果不明显，分析认为这主要是TWIP钢中的高锰含量极大地增加了铌在奥氏体中的固溶度所致，只有当铌添加量达到0.1wt.%级别以上时，才能有效细化低碳TWIP钢的再结晶后的晶粒和组织；微量铌-钛复合添加(<0.1wt.%)能提高低碳TWIP钢的屈服强度，但提高的程度也有限，而铌-钛复合添加的量较大时，虽然显著提高了强度，但塑性、强塑积明显下降；研究了退火温度对强变形（ASR+SR工艺处理）低碳铌、钛合金化TWIP钢的组织和性能的影响。结果表明，随着退火温度的增加，强度逐渐降低，塑性逐渐增加；本研究不同退火温度下组织与性能的变化情况，可以划分为三段明显的区间：1)500、550℃为未再结晶区，材料组织未发生再结晶，强度、塑性变化较小；2)600、650℃为部分（未完全）再结晶区域，组织部分再结晶，强度较高，但是塑性相对较低，材料的应变硬化能力较差；3)700℃及以上温度为完全再结晶区，具有较为优异的综合力学性能；铌-钛添加量到0.1wt.%级别后，能明显提高低碳TWIP钢应变硬化能力，尤其添加0.5wt.%Nb的低碳TWIP钢，明显改善了未完全再结晶区的加工硬化能力；分析认为，细晶和第二相粒子共同强化是铌、钛合金化低碳TWIP钢的主要强化机制。研究发现，细小的铌和/或钛析出几乎不改变低碳TWIP钢的拉伸变形低应变区（真应变小于15%）的变形行为，但却明显提高了高应变区的应变硬化速率。