重载铁路是我国的铁路发展重要方向之一,也是提升货运能力的最有效途径。现阶段服役中的钢轨在韧塑性、耐磨性和抗疲劳性已经不能完全满足使用要求。被誉为“21世纪的钢轨”-贝氏体钢轨经过合理的强韧化方式,其强韧性匹配、耐磨性均优于传统钢轨,满足服役要求。本文以Mn系贝氏体钢轨为研究对象,通过优化热处理工艺来研究工艺参数与组织、性能的关系,最终实现了钢轨的最佳强韧性匹配,并运用合理的工艺在企业生产现场试制重载铁路用原型贝氏体钢轨。实验钢轨存在Mn元素引起的偏析现象,通过测量偏析条带所占比、平均宽度以及利用电子探针定量分析元素含量,确定了 Mn是导致偏析条带的主要元素。不同程度的偏析对相变有不同的影响,为研究成分偏析对相变的影响,通过连续冷却转变以及等温转变实验后,发现距离踏面15mm位置等温转变孕育期最长,且该位置的硬度无论是在等温转变过程中还是在连续冷却过程中最大。在等温转变过程中,距离踏面任何位置的贝氏体转变量随着等温温度的升高而减少,其中15mm位置贝氏体转变量最少。根据Mn元素产生的偏析对钢轨相变点的影响,设计了三组不同热处理工艺:BQPT1(淬火-配分)、BQPT2(淬火-配分)和BQ&DP(淬火-动态配分)。通过分析三组工艺相应的显微组织和测试力学性能后,发现经BQPT1工艺处理后的钢轨,随着配分温度增加,硬度和冲击韧性均降低,不利于贝氏体钢轨强韧性综合性能的改善;经BQPT2工艺处理后的钢轨,随着淬火温度的降低,钢轨的强度和冲击韧性均呈增加的趋势。残余奥氏体含量随着淬火温度的降低,先增加后降低,当淬火温度为200℃时,残余奥氏体含量最高;钢轨经BQ&DP工艺处理之后,随着淬火和动态配分温度的降低,贝氏体钢轨的强度增加,但冲击韧性呈下降的趋势;结果得出强韧性匹配最好的工艺是BQ&DP。为了探究BQ&DP工艺处理后钢轨的强韧性机理,利用EBSD(Electron Backscattered Diffraction)技术进行多尺度组织表征,研究了强韧性与组织分布、形貌、尺寸的关系。结果发现BQ&DP工艺的不同淬火温度下的屈服强度包括残余奥氏体和贝氏体、马氏体的强度,其中后者对屈服强度的贡献最大。贝氏体、马氏体中的板条尺寸决定屈服强度的大小,屈服强度随着板条尺寸的增加而减小。实际测试的屈服强度与估测计算出的屈服强度对比发现,两者强度变化规律一致,都是随着淬火温度的升高而下降且误差在5%以内。工业现场采用BQ&DP工艺试制钢轨,对实际生产的贝氏体钢轨进行采样,并和采用空冷工艺的钢轨对比了组织与力学性能,BQ&DP工艺的组织分布、强度、韧性、硬度要优于传统的空冷+回火工艺。