孪生诱导塑性(Twinning-InducedPlasticity,简称TWIP)钢拥有优良的抗拉强度、塑性和成型性能,满足了汽车用钢高强高塑性的苛刻需求。TWIP钢的主要变形机制是形变孪生和位错滑移,掌握其塑性变形过程中不同微观机制的相互作用机理及其对宏观强度和塑性的影响规律仍是亟待解决的问题之一。此外,TWIP钢的屈服强度较低,这限制了它未来更为广泛的应用。本论文以Fe-Mn-C(-Al)系TWIP钢为研究对象,通过实验方法,定量研究了位错和孪晶在不同温度和应变条件下的演化行为,阐明了室温下位错和孪晶之间的交互作用以及其各自对力学行为的贡献,并对梯度结构TWIP钢的变形微观结构演化和力学性能进行了研究。主要研究结果如下:(1)通过拉伸实验和微观结构表征,定量研究了室温下在0至0.34真实应变水平期间Fe-22Mn-0.6CTWIP钢中几何必须位错密度、统计存储位错密度和形变孪晶的演化规律及其各自对强化和加工硬化的贡献。研究发现,几何必须位错密度分布是不均匀的,主要集中在形变孪晶和晶界附近,且几何必须位错密度随应变的增加而非线性增加;统计存储位错密度的增加速率大于几何必须位错密度,这与其强烈依赖于应变水平有关;在早期的应变阶段(～0.14真实应变以前),总位错密度主要由几何必须位错组成,因此其控制了位错硬化对强度的贡献;在大变形阶段(0.14真实应变之后),统计存储位错密度超过了几何必须位错密度,因此其对位错硬化的贡献更多;孪生硬化对强度的贡献小于100MPa。取决于位错类型,位错增殖控制TWIP钢变形期间的强化和加工硬化行为。(2)通过TEM和EBSD方法,定量研究了Fe-22Mn-0.6CTWIP钢在不同温度下变形微观结构的演化行为。研究发现,TWIP钢在423K时的变形机制以位错滑移为主,伴随极少量形变孪生;在293K时以形变孪生和位错滑移为主;在77K时以应变诱导六方马氏体相变和位错滑移为主,伴随少量形变孪生。因此,室温下的孪晶体积分数最高。发现在相同温度下,平均孪晶厚度与应变水平无关,孪晶束内相邻孪晶的间距随应变的增加而减小;在相同应变下,平均孪晶厚度和束内相邻孪晶的间距均随温度的降低而减小。同时也发现,随着温度降低,位错平面滑移趋势增加,几何必须位错密度主要集中在晶界、形变孪晶和相界面附近。(3)以Fe-22Mn-0.6C和Fe-22Mn-0.6C-3AlTWIP钢为研究对象,基于应力分配关系,通过加载-卸载-重加载拉伸测试,定量研究了材料中非均质变形诱导应力的演化。研究发现,两种钢的非均质变形诱导应力随应变的增加而增加,形变孪晶对TWIP钢中非均质变形诱导应力的贡献有限。进一步微观结构分析也证实,形变孪晶对几何必须位错密度的阻碍作用比晶界更弱,因此形变孪晶周围的非均质变形更小。(4)通过简单的预扭转方法制备了高强高塑性的梯度亚结构TWIP钢。研究发现,拉伸变形的梯度亚结构样品存在晶粒尺度和试样尺度的非均质变形,导致其产生较高的非均质变形诱导应力;同时,也发现试样尺度的非均质变形促进了样品内部位错和孪晶的增殖,导致较高的短程有效应力。因此,梯度亚结构TWIP钢优异的力学性能来源于两种应力的协同作用。