本文系统地探究了高强度珠光体钢的成分设计及其制备工艺,开发了高强度80CrSiV珠光体钢轨钢,并探究了热变形及后续冷却工艺对其组织、性能的影响。对80CrSiV珠光体钢轨钢进行中试试验,并对试验后的组织及力学性能进行了系统分析。此外,对高强韧贝氏体钢轨钢组织及性能进行了初步研究。通过对不同成分珠光体组织及性能分析,得出了重载高强度珠光体钢轨钢的成分设计理论:在0.75 wt.%≤[C]≤0.8 wt.%,[V]≤0.09 wt.%的珠光体钢轨钢中,当合金元素Si、Mn及Cr含量满足[Mn]+2.00[Si]+1.80[Cr]≤3.6、[Mn]+0.67[Si]+1.53[Cr]≤2.3及[Mn]+0.91[Si]+2.50[Cr]≥2.8时,通过控制珠光体钢轨钢在850~550°C间的冷却速度在60~120°C/min范围内,且后续冷却速度为7°C/min,可以获得具有全珠光体组织的高强度珠光体钢轨钢。此外,研究结果表明:珠光体钢轨钢的片间距对终变形温度及变形量的敏感性较小,对热变形后的冷却速度的敏感性最大,对终冷温度的敏感性次之,并且,随着冷却速度的增加,80CrSiV珠光体钢轨钢的片间距及性能对终冷温度的敏感性越大。对80CrSiV珠光体钢轨钢进行了中试,研究表明:通过缩短珠光体钢轨钢轧后空冷时间来减少珠光体钢轨钢高温停留时间、加快轧后冷却速度、降低终冷温度以及实行两次加速冷却处理,可以有效细化珠光体片间距,进而获得抗拉强度为1444~1537 MPa的全珠光体重载钢轨钢;由于拉伸过程中位错在铁素体相增殖与滑移并在铁素体与渗碳体界面堆积,珠光体钢轨钢的加工硬化能力受到珠光体片间距的强烈影响,即珠光体片间距越细小,珠光体钢轨钢的瞬时加工硬化指数越小。对80CrSiV珠光体钢轨钢磨损纵截面组织观察发现:不同环-块磨损条件下,珠光体组织均发生不同程度的变形,并且渗碳体发生碎化、典型的片状珠光体组织消失;在磨损条件为400 r/min×90 min时,珠光体钢轨钢表层组织在变形、碎化的同时受到摩擦生热的影响而球化,生成具有一定厚度的渗碳体球化层,降低磨损速率。探究了不同成分贝氏体钢轨钢的组织及性能,获得了抗拉强度在1425~1548 MPa之间,冲击韧性在90~150 J/cm~2之间的高强度、高韧性贝氏体钢轨钢。此外对贝氏体钢轨钢低温冲击韧性研究表明,低温对贝氏体钢轨钢裂纹形成功的影响大于对裂纹扩展功的影响;但是,低温对块状铁素体+贝氏体钢轨钢裂纹形成功的影响小于或接近对裂纹扩展功的影响。作为软相的块状铁素体不仅本身具有较高的韧性,可以抑制裂纹扩展、改变裂纹扩展方向,而且块状铁素体的存在提高了残余奥氏体中的碳含量及其机械稳定性,进一步钝化了裂纹尖端,抑制了裂纹的扩展。80CrSiV珠光体钢轨钢的韧性虽然较低,但其强度可以达到1537 MPa,并且制备工艺简单、生产成本较低,是新一代高强度珠光体钢轨钢的备选材料之一;高强韧贝氏体钢轨钢可获得强度1500 MPa及韧性150 J/cm~2的高强韧性,可以作为珠光体钢轨钢的替代材料而继续深入研究。