本文以U20Mn 贝氏体钢轨为研究对象,通过热模拟实验研究分段控冷工艺对钢轨组织形态及各相含量的影响规律;优化淬火及回火工艺,结合显微组织、力学性能、疲劳性能及断口形貌分析,确定最佳热处理工艺;结合彩色金相、EBSD、IEM等表征手段研究不同热处理工艺下的组织形貌、各相含量、残余奥氏体及位错,明确贝氏体钢轨强韧化机理。研究结果为高速重载贝氏体钢轨热处理工艺优化及其微观组织控制提供—定理论依据。实验结果表明:通过热模拟及热处理工艺优化,加热奥氏体化温度900℃等温15min,最佳分段控冷工艺为相变前第—阶段冷速3℃/s,相变前第二阶段冷速0.5℃/s,贝氏体相变阶段冷速0.3℃/s,相变结束空冷至室温。此工艺对应实验钢的抗拉强度将近1500Mpa,冲击功KV1达到60J以上。进—步经过300℃等温回火4h后抗拉强度近1400Mpa,冲击功KV2提升至85J以上,拉伸以及冲击断口为韧性断裂。疲劳性能表明:300℃等温4h回火对应实验钢疲劳扩展速率m=1.68,相比于未回火态降低25.3%,扩展区裂纹长度由未回火态的3.69mm提升至7.6mm,300℃回火疲劳性能有较大提升。通过最佳分段控冷工艺及300℃等温回火4小时工艺优化后,实验钢组织由较为细小的板条状贝氏体、马氏体以及薄膜状残余奥氏体组成,各相含量为70%、22%及8%,组织中板条状贝氏体平均尺寸为147nm,薄膜状残余奥氏体平均尺寸为12.15nm。70%的细小板条状贝氏体有助于提升钢轨的强韧性,22%马氏体能够保证钢轨的强度及硬度,组织中8%的薄膜状残余奥氏体机械稳定性高,降低应力集中,钝化裂纹尖端,抑制裂纹形成及扩展,利于提高钢轨的疲劳性能。同时300℃等温回火可使组织中位错线更加均匀细小,起到—定的位错强韧化效果;组织中含Cr合金渗碳体除提升强韧性,还易使二次裂纹产生,有效阻碍主裂纹的扩展;组织中再结晶减少,亚晶结构降低,晶格畸变增多,材料内能增高,微观应力增大,阻碍位错滑移变形,可进—步增强材料的强韧性。