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铁路运输向重载、高速方向发展,钢轨承受的应力大幅增加,运行条件也随之恶化,导致现有钢轨伤损频率不断增加。因此迫切需要提高钢轨的性能,来满足轨道交通快速发展的需求。本文以Mn-Si-Cr系贝氏体钢轨为研究对象,通过数值模拟与实验研究,探究淬火终冷温度对钢轨温度场,组织演变及力学性能的影响,并对残余奥氏体进行了晶体学表征,对控冷钢轨的强韧化机理进行了分析,并建立了控冷钢轨屈服强度预测模型。主要内容如下:根据实际生产工艺,确定淬火终冷温度为230℃、250℃和280℃的数值模拟方案,通过有限元模拟探究60 kg/m型钢轨控冷过程中的温度变化规律。停止淬火后钢轨轨头存在两种冷却形式:返温-缓冷与直接缓冷,返温现象出现在轨头表层,踏面返温温度约50℃,同时定量分析了温度、组织、硬度之间的影响规律。基于钢轨踏面的温度模拟曲线设计了两种动态配分工艺,探究不同淬火终冷温度对Mn-Si-Cr系贝氏体钢轨钢的组织演变及力学性能影响。直接缓冷工艺板条清晰、细小,残余奥氏体含量较高,试样抗拉强度较高,韧性较差;返温-缓冷工艺板条边界模糊,残余奥氏体含量有所减少,试样抗拉强度较低,韧性较高。定量分析了马氏体板条内部平行的纳米级残余奥氏体的晶体学特征,其长轴方向为[-3-5 1]_γ。残余奥氏体中的堆垛层错与两端界面上的分位错露头相连,这与全位错分成两个分位错并在位错之间插入一层堆垛层错的情形吻合。采用近重位点模型对具有平直刻面的纳米级残余奥氏体的晶面指数进行了准确的表征和分析。由于覆盖较多近重位点团簇的界面,界面能量最小,不匹配度较低,因此刻面平行于高密度的近重位点团簇的平面。基于有限元模拟与热处理实验,进行淬火终冷温度为230℃、250℃和280℃的控冷钢轨试制。钢轨轨头表层以马氏体为主,心部贝氏体含量增多。踏面冷速最快,但其抗拉强度和硬度却低于心部,返温现象导致马氏体发生回火软化,内应力降低,位错重排,降低了抗拉强度和硬度;而屈服强度不断下降;冲击韧性先下降后趋于稳定。定量研究了控冷钢轨的强韧化机理,并建立了控冷钢轨的强度预测模型。本论文系统地研究了控冷工艺处理的Mn-Si-Cr系贝氏体钢轨材料的组织演变及强韧机理,对于高强韧钢轨的研发及性能优化具有一定的参考价值。