随着铁路的高速化与重载化,新一代铁路用耐候钢对强度提出更高要求。钢中一定含量的氮与钒可实现钒氮微合金化,达到增强增韧的效果。但过高的氮含量将导致铸坯凝固时形成皮下气泡。铬可以显著提高钢的耐蚀性,但过高的铬含量将导致轧制裂纹等缺陷。因此,通过合金成分设计—工艺优化—缺陷控制—组织与性能研究,开发新型高强耐候钢具有重要的工程价值及理论意义。本文在耐候钢YQ450NQR1成分的基础上,通过计算不同等温相图的组合筛选方法对新型耐候钢进行了合金成分设计,确定了C、N等元素的加入量。计算了不同N/C比条件下新型耐候钢凝固冷却过程中的平衡相图,得出了VN(或V(C,N))相的析出量与N/C比的关系。计算得出了新型耐候钢的连续冷却转变CCT曲线。当冷却速率为1~oC/s时,最终的室温组织可获得贝氏体和铁素体组织。同时,采用正规稀释溶液规则,建立了合金体系Fe-Cr-Mn-V-N中氮在液相及固相溶解度的热力学计算模型,并验证了模型的准确性。研究了新型耐候钢在液相与固相中氮的溶解度变化规律,以及合金元素(Cr、V、Mn)和氮分压对氮溶解度的影响。基于凝固过程中氮的溶解度与偏析,得出了氮气泡的析出压力,提出了铸坯凝固皮下气泡的预防措施。基于相变动力学Johnson-Mehl-Avrami方程,建立了新型钒氮微合金化耐候钢应变诱导V(C,N)析出动力学模型,并验证了模型的准确性。研究了耐候钢V(C,N)析出相的转变量—温度—时间(PTT)曲线特点,分析了氮含量对V(C,N)析出相的PTT曲线的影响规律。随着氮含量的增加,PTT曲线的鼻尖温度显著增加,曲线左移。钢中氮含量降低,相变自由能明显非线性,奥氏体中V(C,N)析出物的PTT曲线呈现出S形特征。基于高温压缩实验,建立了新型耐候钢的热加工图,分析了热加图稳定区和不稳定区的微观变形机制;结合EBSD组织观察,研究了耐候钢的热加工特性,并建立了最佳轧制工艺窗口。同时,实验研究了新型高强耐候钢的组织性能;通过高温激光共聚焦显微镜原位观察了贝氏体相变过程,得出了贝氏体在第二相上形成的机制及复合纳米析出相析出的路径。结果表明:随着N/C比的增大,实验耐候钢的屈服强度和抗拉强度增大;当N为0.036%和C为0.036%时,屈服强度和抗拉强度分别为585MPa和830MPa。通过提高氮含量、促进贝氏体基体与纳米析出相的形成,开发新型高强耐候钢是可行的。