对于调质型特厚板的生产,轧制和热处理过程中变形及热传递均受其厚度的影响,在厚度方向产生组织、性能不均匀现象,严重影响了钢板的整体性能。调质型特厚板要求在高强度、高韧性下具有良好的强韧性匹配,生产难度很大。本文首先对厚度为120mm的10CrNi5Mo钢特厚板开展了综合性能研究,重点研究了特厚板表面、1/4T及中心等不同部位的力学性能及微观组织结构。根据特厚板的生产工艺特点,在试验室模拟钢板不同部位淬火冷却过程,开展了热处理试验,详细研究了热处理工艺、组织与力学性能的关系。在此基础上,对板条马氏体／贝氏体(M/B)混合组织的强韧化微观机理进行了深入的探讨。本文首次提出了控制调质型特厚板低温韧性的“有效晶粒尺寸”,为工业生产提供了理论依据和指导,技术上具有创新性。工业生产的120mm特厚板淬火冷却过程中,表面得到典型的板条马氏体组织,而心部得到板条马氏体／贝氏体(M/B)的混合组织；表面到中心各部位强度和塑性变化很小,而钢板中心部位低温韧性明显优于表面,韧脆转变温度也大大低于表面。随着试验温度的降低,钢板表面冲击值下降较快,在试验温度为-84℃时,钢板心部冲击值达到138J,而表面仅为30J；钢板心部韧脆转变温度为-100℃左右,而表面韧脆转变温度仅为-60℃。综合分析试验结果表明,钢板表面和中心的组织差异是造成钢板中心部位获得优良低温韧性的原因。在试验室开展了特厚板淬火冷却模拟试验,将试验钢奥氏体化后分别进行水冷、油冷、风冷和砂冷四种不同方式冷却,获得了不同比例的板条马氏体/贝氏体混合组织。随着冷却速度的减小,贝氏体含量逐渐增加,抗拉强度稍有增加,但变化范围很小,屈服强度降低幅度较小,当贝氏体含量达到86%时,屈服强度只降低60MPa左右；而冲击韧性却发生大幅度变化,贝氏体含量为76%时冲击韧性最好,在-20℃时,冲击功达到160J,单一马氏体组织冲击韧性最差,-20℃冲击功只有12.5J。在此基础上,本文采用OM、SEM、TEM以及EBSD技术等对马氏体/贝氏体混合组织的精细组织结构进行深入分析。研究结果表明,相同的原始奥氏体晶粒尺寸经不同比例的马氏体、贝氏体混合后,强度变化不大,而低温韧性随板条束和板条块尺寸的减小而提高,而板条宽度变化很小。且本文通过计算裂纹扩展跨越亚晶界的解理面夹角,表明板条束界和板条块界对裂纹扩展具有相同的阻碍作用,由于板条块是更小的亚结构,且板条块尺寸对冲击功的影响作用远远大于板条束。因此,认为板条块可作为低碳马氏体钢对韧性起控制作用的组织亚单元,即板条块尺寸为控制韧性的“有效晶粒尺寸”。采用彩色金相技术对板条马氏体/贝氏体混合组织分割细化机理进行了深入探讨。10CrNi5Mo钢特厚板淬火冷却过程中,钢板各部位冷却速度存在明显差异。钢板中心冷却速度低于临界冷却速度,先析出的少量板条贝氏体组织,分割细化了原始奥氏体晶粒。温度进一步降低时,被分割细化了的奥氏体晶粒发生马氏体相变,板条束(Packet)尺寸较小。在同一板条束中,马氏体板条块(Block)和贝氏体板条块相互平行,且交替出现,起到了分割细化板条块的作用,即钢板中心影响韧性的“有效晶粒尺寸”小于单一板条马氏体组织的钢板表面,因此导致工业生产的10CrNi5Mo钢特厚板中心获得优良的低温韧性。