利用JMatPro软件分析Cr、V、Mo、N含量对钢中相组成、析出相类型及析出相比例的影响，设计出挤压轮实验钢的化学成分。通过实验研究Cr、V、Mo、N含量变化对钢的显微组织、力学性能和热疲劳性能的影响规律，优化出实验钢成分；对优化成分的实验钢进行热处理工艺优化，最后对热疲劳性能的影响机理进行了研究探讨。设计的挤压轮模具钢Cr、Mo、V、N的含量范围分别为3～4wt%、1.1～1.4wt%、1.0～1.5wt%、0.008～0.02wt%。通过组织、力学性能以及热疲劳性能综合分析，最佳V、Cr、N、Mo成分分别为1.0wt％、3.75wt％、0.01wt％和1.39wt％。通过研究淬火温度、回火温度对组织、力学性能的影响得出最佳热处理工艺为：880℃×1h+720℃×1h球化退火，1080℃淬火，550℃×2h一次回火+530℃×2h二次回火。TEM和EDS分析发现：Cr含量为5wt％时，有富Cr面心立方结构的M₂3C₆型合金碳化物析出，这种碳化物不稳定、易粗化，是影响材料热疲劳性能的一个重要因素；而Cr含量在3.9wt％及以下，无M₂3C₆型合金碳化物析出，析出碳化物为富V面心立方结构的M₄C₃型、MC型碳化物和正交结构的M₃C型渗碳体。其中V的碳化物能提高热疲劳性能，而M₃C型渗碳体颗粒的聚集则会降低热疲劳性能。Mo在实验钢中主要起固溶强化作用，N则能起到稳定碳化物的作用，同时促进碳氮化钒的析出，提高钢的热疲劳性能。