本文以高速线材82B为研究对象，通过实验室的物理模拟和有限元模拟，分析了高速线材轧后控制冷却过程中温度场和组织场的演变规律，建立了高速线材82B轧后控制冷却过程中的传热和相变数学模型，并对大型商用有限元软件Marc/Mentat进行二次开发，模拟计算了轧后控制冷却过程中线材温度与组织演变的全过程，为碳钢以及合金钢在控制冷却过程中的相变规律研究提供了理论和方法基础，对现场生产制定合理的工艺制度、提高产品的综合性能具有重要的指导意义。 通过实验研究了高速线材82B的等温相变规律和连续冷却相变规律。测定了高速线材82B的等温相变曲线(TTT曲线)和连续冷却相变曲线(CCT曲线)以及相变区不同冷速条件下高速线材的力学性能，研究分析了相变区不同冷速条件下线材组织与性能的对应关系。实验结果表明，当相变区冷却速率小于或等于5℃/s时，线材室温组织为全珠光体组织，随相变区冷却速率的提高，珠光体片层间距不断减小，线材各项强度和塑性指标均不断上升，当相变区冷却速率超过5℃/s时，线材室温组织中开始有马氏体出现，且随着冷却速率的提高，珠光体百分含量逐步减少，马氏体含量不断增加，线材的屈服强度和抗拉强度大幅增加，同时线材的延伸率和面缩率等塑性指标大幅下降。据此提出高速线材82B轧后控冷阶段相变区冷速控制在5～6℃/s时可以获得良好的综合性能。 以高速线材82B为研究对象，根据水冷线不同冷却段的传热特点，结合Fourier导热定律，分区段建立了水冷线的传热数学模型；考虑风冷段中线材的相转变过程，将线材冷却过程中相变潜热的释放与线材同空气之间的对流和辐射换热相结合，建立了高速线材82B风冷段温度场与相变过程的耦合传热模型。 定量测定了等温相变时不同等温温度条件下的珠光体片层间距和连续冷却过程中不同冷速条件下的珠光体片层间距，建立了等温相变时过冷度与珠光体片层间距之间的关系模型和连续冷却相变时平均过冷度与珠光体片层间距之间的关系模型。研究结果表明，不论是等温相变还是连续冷却相变条件下，当过冷度不太大时(等温相变时不超过150℃，连续冷却相变时不超过130℃)，珠光体片层间距与过冷度(或平均过冷度)的倒数之间呈很明显的线性关系。过冷度超过一定值时，二者之间将不满足线性关系。 通过实验数据回归建立了高速线材82B的组织—性能关系模型。当线材室温组织为全珠光体类组织时，线材的屈服强度和抗拉强度与珠光体片层间距之间比较明显地满足Hall-Petch关系，当线材组织中有马氏体出现时，马氏体对线材强度的贡献大幅增加，线材的强度与珠光体片层间距之间不再满足Hall-Petch关系。 基于相变热力学和动力学理论分析，结合实验研究结果，建立了高速线材82B控冷过程中的相变模型，并通过实验数据回归确定了具体的相变动力学参数和材料的热物性参数模型。 基于建立的数学模型，对大型商用有限元软件Marc/Mentat进行二次开发，模拟了高速线材82B轧后控冷过程中水冷段、风冷段的温度场变化和风冷过程中的微观组织演化过程以及相变区不同冷速条件下线材微观组织的演变过程，通过模拟结果与实测结果的比较，验证计算模型的可行性和准确性，并结合实验研究结果和模拟研究结果提出合理的轧后控制冷却速率范围应为5～6℃/s。