随着我国高速铁路的发展,对于高速列车车轮这一重要走行部件的质量要求日益提高,但是对于成分和显微组织传统的表征方法存在分析区域小（μm级）且分析速度慢的问题,为了满足大尺寸高速列车车轮成分、组织、性能的表征需求,本论文探索建立了大尺寸试样（cm级）的成分、组织、性能的表征和分析方法,并对成分、组织、性能之间的相关性进行了讨论。论文立足于材料基因工程的理念,针对高速列车车轮剖面上不同部位设计取样,结合火花原位统计表征技术、高通量图像采集技术、图像识别处理技术以及硬度、拉伸力学性能分析技术建立了大尺寸材料跨尺度的成分、组织和性能的高通量表征方法,并讨论了成分、组织、性能之间的相关性,为产品质量的全面评价和改进相关的加工及热处理制度、满足服役条件提供了实验和理论基础。本文采用火花原位统计分布分析技术对高速列车车轮轮辋部位的成分分布情况进行了统计表征。结果表明三种车轮轮辋部位的成分分布差异主要体现在C、Mn、S、Al四种元素,除上述四种元素,Si、Cr、V元素在含量95%置信区间统计范围内均达到了较高的统计符合度,且各个元素的统计偏析度相差较小,由于Mo元素在三种车轮中的含量均较低,所表现出的含量波动性较其他元素严重。本文首次采用了首次采用高通量扫描电镜对高速列车车轮材料大尺寸范围内的显微组织图像进行了高效采集,研究了显微组织的图像识别、分割和定量统计方法,并建立了图像批处理模板,实现了高速列车车轮不同部位的组织定量化表征。结果表明,从轮辋到轮毂,铁素体相的面积分数逐渐增加。轮辋部位自踏面向下铁素体面积分数与珠光体片层间距呈逐渐增加的趋势,辐板与轮毂部位铁素体面积分数相对没有较明显的分布规律,而且在其中一种车轮轮辋部位发现较多异常上贝氏体组织。本文引入了全自动显微维氏硬度计实现了高速列车车轮大尺寸范围内的显微维氏硬度的原位定量统计分布表征,发现硬度随位置变化呈现规律性变化的趋势。从轮辋到轮毂,样品的硬度值整体呈减小趋势,轮辋部位自踏面向下硬度也呈现出逐渐降低的梯度分布趋势。同时也研究了不同部位室温拉伸性能的变化规律,发现轮辋部位的抗拉强度和屈服强度要高于辐板部分。结合本文对高速列车车轮的表征结果,对剖面上不同部位的成分、组织和性能之间的相关性进行了研究,发现Mn、S和Al元素的偏析与夹杂物的尺寸和分布密切相关,而显微组织的分布对C元素的偏析行为有较大影响。微合金化元素的含量差异以及所采用淬火工艺的区别对不同车轮显微组织分布有较大影响,由此也造成了高速列车车轮不同部位硬度分布的差异。