近二十年来，Fe-Mn-Al-C体系奥氏体轻质钢作为新一代轻质汽车用钢被广泛关注。由于其纳米级κ'-碳化物析出和独特的动态滑移带细化机制，使其具有高强度、大延展性的特点。然而，传统κ'-碳化物强化轻质钢在塑性变形过程中加工硬化能力较低，且在高应变率和低温等复杂工况下表现出较差的性能，限制了其广泛应用。另外关于高比强度钢的研究表明，通过合适的冷变形和热处理在晶粒内部引入分散的非共格B2颗粒，可以充分利用其强化效应并避免其带来的室温脆性。并且近些年来对于异质结构金属的研究表明通过构筑异构可以获得优异的强塑性匹配，原因在于异质变形诱导硬化提供了额外的应变硬化能力。

基于此，本文以Fe-29.02Mn-8.76Al-4.99Ni-1.04C (wt.%) 轻质钢为研究对象，在双纳米析出（κ'-碳化物和B2相）的基础上在基体内构筑异质结构，改善材料性能。其中由于引入Ni元素调整其析出行为，使纳米级非共格NiAl B2相在晶粒内析出。研究了双纳米析出异构钢的加工硬化行为及其对准静态拉伸性能和使役性能的提升，并探讨了其变形机理。主要结论如下：

(1) 通过冷轧和双阶段退火构筑多尺度异质结构，轻质钢在拉伸过程中展现出优异的强度-塑性匹配。时效处理后，材料的屈服强度显著提升至1.57 GPa以上，均匀伸长率达到14%，表现出高强度与高延展性的协同效应。通过加载-卸载-再加载 (LUR) 测试，定量表征了异质变形诱导硬化 (HDI) 对材料流变应力的贡献，揭示了多尺度异质结构在提升材料拉伸性能中的重要作用。研究表明，异质结构中的应变分配提供了额外的硬化能力，而双纳米析出相通过位错绕过B2相和切过κ'-碳化物实现硬化。

(2) 相比异质层状结构，多尺度异质结构样品在相似屈服强度水平下具有更高的断裂韧性。研究发现，裂纹尖端相邻区域的塑性变形机制主要为平面位错滑移和两个{111}平面上平行滑移带所形成的网络结构，滑移带网络的细化以及位错与析出相的相互作用提供了持续的加工硬化能力。此外，具有高密度B2析出相的样品在裂纹尖端形成了弥散分布的微裂纹，有效降低了裂纹驱动力，增加了能量耗散，从而显著提高了断裂韧性。

(3) 研究表明，奥氏体晶粒尺寸和κ'-碳化物尺寸对轻质钢的硬度、加工硬化行为和耐磨性有显著影响。随着奥氏体晶粒尺寸的减小和κ'-碳化物尺寸的增大，材料硬度逐渐提升。然而，中等硬度的样品表现出最佳的耐磨性能，这归因于硬度与韧性的最佳平衡。中等硬度的材料既具备足够的抗塑性变形能力以抵抗磨损，又避免了因过高硬度而导致的脆性断裂。通过微结构表征，揭示了磨损过程中表层和亚表面的微观结构演化，包括纳米晶粒、变形孪晶、层错和密排六方相的形成，这些微观结构特征显著增强了材料的应变硬化能力，并在材料磨损表面形成耐磨层，从而提升耐磨性能。

(4) 具有多尺度异质结构的轻质钢在动态剪切条件下表现出优异的剪切韧性。在动态剪切过程中，材料展现出显著的硬化能力，主要归因于位错与析出相的相互作用、滑移带细化和纳米网络的形成。特别是在低温条件下，变形机制更为复杂，表现为两组非共面滑移带的相交、纳米间距网络的形成以及变形诱发的层错 (SFs)。这些微观结构特征提供了加工硬化能力，从而显著提升了材料的动态剪切性能。

本研究为高性能轻量化钢的设计提供了新的思路和方法，通过微观结构的精确调控实现了材料性能的显著提升，为轻质钢在航空航天、汽车等领域的应用提供了理论支持和技术储备。此外，本研究还揭示了异质结构与双纳米析出相在提升材料综合性能中的协同作用机制，为未来高性能金属材料的研发提供了重要的参考。