“十三五”期间是我国特殊钢行业由制造大国向制造强国转变的关键五年,而体现合金钢生产及产品制造强国的关键指标就是产品质量达到国际先进水平。目前在我国的合金钢实际生产过程中,齿轮钢轧后硬度和氧化脱碳控制的共性技术问题仍亟待解决。本文以齿轮钢20CrMnTi为研究目标,研究分析了齿轮钢20CrMnTi的热变形行为、过冷奥氏体的连续冷却行为,以及轧制工艺参数对组织演变、宏观硬度和氧化脱碳的影响规律。论文的主要工作内容如下:（1）通过高温奥氏体热变形实验,研究变形温度和应变速率对齿轮钢20CrMnTi原始奥氏体组织以及变形抗力的影响。基于流变应力曲线,结合双曲正弦模型和线性拟合,建立实验钢本构方程,并精确预测实验钢应力应变曲线。同时,将流变应力曲线计算的应变储能引入铁素体正平衡计算方程,实现对不同变形条件下的铁素体平衡转变温度的预测。（2）应用膨胀量和金相观察的相变点测量方法,建立实验钢过冷奥氏体在静态和动态条件下的连续冷却转变曲线,并对比分析变形和冷却速度对组织转变的影响,结果表明,变形能一定程度上促进高温段的铁素体和珠光体相变,抑制中低温段的贝氏体和马氏体相变,但由于Cr、Mn等合金元素的加入,动静态条件下20CrMnTi钢贝氏体临界冷却速度均小于0.5℃/s。（3）采用热模拟实验机模拟不同热轧和冷却工艺方案,研究各工艺参数对组织演变及硬度的影响。实验结果表明,降低变形温度和冷却速率均能得到较高体积分数的珠光体和铁素体组织,显著降低实验钢硬度。为了实现生产效率的提高,引入高温冷却技术,并优化变形工艺,提出变形-快速冷却-变形的实验方案,成功将齿轮钢20CrMnTi硬度降低至GB/T 3077-2015合金结构钢出厂硬度要求值以下。（4）不同变形温度和冷却工艺下实验钢氧化层形貌均呈现内侧合金元素氧化层+外侧Fe1-yO+Fe3O4+Fe2O3三层氧化层形貌。氧化层和脱碳层厚度均随着变形温度升高,冷速降低而增加。当采用高温段快速冷却工艺时,可大幅度缩短高温段停留时间,抑制氧化脱碳。