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随着我国盾构施工领域的快速发展,盾构机的生产和制造行业迅速发展。但是,由于我国高品质轴承钢材料的生产技术落后,盾构机的核心部件——主轴轴承还未能实现国产化,而是100%采用了进口产品,这大大增加了盾构机的生产成本,严重制约了我国大型盾构机行业的进一步发展。本文以轴承钢GCr1SSiMn为研究对象,开展了6米以上直径的大型盾构机主轴承滚动体材料的组织演变机理和性能控制研究,实现了国内大型盾构机用轴承滚动体材料质量控制的新突破,为大型盾构机轴承滚动体制造的国产化提供了材料保障；以轴承钢GCr15为研究对象,系统开展高碳铬轴承钢的Nb微合金化研究,阐述Nb对高碳铬轴承钢显微组织的影响规律和作用机理。对轴承钢GCr15SiMn的热变形行为和晶粒长大行为进行了研究。确立了变形温度和变形量与动态再结晶状态的关系,为轴承钢生产过程中的轧制工艺设计提供了理论基础；利用动态再结晶的动力学模型,实现了对轴承钢GCr15SiMn动态再结晶体积分数的准确预测；确定了加热温度和保温时间与奥氏体晶粒尺寸的定量关系,并建立奥氏体晶粒长大动力学模型,实现了对轴承钢GCr15SiMn奥氏体晶粒尺寸的准确预测。研究了变形量、变形温度和冷却速度与网状碳化物状态的变化规律。明确了控制轴承钢GCr15SiMn网状碳化物的临界冷却条件；通过研究共析转变过程中网状碳化物的析出规律,阐述了轧后冷却过程中网状碳化物的析出机理以及控制策略。确定当精轧累积变形量为50%-60%,终轧温度为850-900℃,轧后以大于3℃/s的冷却速度冷却到620℃等温相变时,可以有效地抑制二次网状碳化物的形成与析出,获得具有良好索氏体组织状态的轧材。通过对大断面轴承钢GCr15SiMn热处理过程中碳化物遗传性及演变机理的研究,提出了轧材网状碳化物厚度与最终热处理产品网状碳化物级别的定量关系,确定了可以经热处理完全消除的临界网状碳化物尺寸为0.29μm,为控制轧材产品中的网状碳化物状态提供了新的思路和方法。系统研究了大断面轴承滚动体材料GCr15SiMn的强韧化机制,获得了硬度、强度和韧性具有良好的匹配高品质轴承钢材料,实现了国内大型盾构机用高品质轴承钢滚动体材料质量控制的新突破。确定了大断面轴承钢GCr15SiMn的最佳热处理工艺为：815～830℃淬火,淬火保温1h,165-180℃回火,回火4-6h；明确了最佳显微组织,即细小板条束的马氏体基体上分布着均匀、细小的颗粒状碳化物,马氏体板条间分布厚度约为20nm的薄膜状残余奥氏体,体积分数在12.8%～17.7%之间。通过在轴承钢GCr15中添加了不同含量(0%,0.018%和0.040%)的Nb元素,系统开展了高碳铬轴承钢的Nb微合金化研究。阐明了随着Nb含量增加,网状碳化物厚度和碳化物网尺寸减小,珠光体片层间距变薄的规律；提出了Nb促进轴承钢球化退火的两个机制,即未溶碳化物核心增多和奥氏体中C浓度的不均匀增大；揭示了Nb在高碳铬轴承钢碳化物演变过程中的作用机理。