由于铁路运输的需求量越来越大,对于载重量的要求越来越高。钢轨的服役条件变得越来越恶劣,现有钢轨的损伤情况变得越来越严重。因此,研发更高性能的钢轨成为了当前的研究重点。钢铁材料的相变与微观组织对钢的性能起到了决定性的作用,对于钢的相变与微观组织的研究具有很重要的意义。本文以Mn-Si-Cr系贝氏体钢为研究对象,对控冷钢轨的微观组织进行了详细表征,并在此研究的基础上提出了深冷处理和微合金化的优化方法,对其相变过程和强化机理进行了深入研究。主要内容如下:对不同回火温度下的贝氏体钢轨钢的微观组织进行了观察。钢轨的回火温度选取了260℃、300℃、320℃和360℃,探究了不同回火温度对钢轨钢微观组织的影响。结果表明,在300℃下回火时组织中板条的平均宽度更小,得到的组织更均匀,细化程度较好。对钢的深冷处理工艺进行了研究,主要对块状残余奥氏体在这一过程的转变进行了深入分析。研究表明,经过深冷处理后钢中的块状残余奥氏体发生了分解,钢的性能得到了提高。在深冷处理后块状残余奥氏体形成的组织中,铁素体与奥氏体之间存在N-W位向关系和K-S位向关系,且以N-W位向关系为主。在ACT（A:Austempering,C:Cryogenic treatment,T:Tempering）样品中观察到了既不满足K-S位向关系也不满足N-W位向关系的组织。为了提高钢的性能,对Nb微合金化进行了研究。结果表明,在钢中加入Nb元素可以有效地细化组织,提高钢的强韧匹配性能。析出物的成分包含Nb、Ti和C,分布在基体中可以起到细化晶粒和弥散强化的作用。另一方面,Nb微合金化钢中存在尺寸细小的膜状残余奥氏体,对钢的韧性有利。