我国交通运输一直以铁路为主，铁路运输担负着全国60%-70%的货运总量和50%-60%的客运总量，重载、高速、安全是铁路科技的发展方向。铁路高速、重载的迅猛发展，使钢轨失效问题日益严重，已危及行车安全。因此，提高钢轨性能延长使用年限，已刻不容缓。而钢轨全长热处理，是近年来世界上大多数国家公认的提高钢轨耐磨、抗疲劳强度的最直接、经济的方法。本文以60kg/m的U75V钢轨为研究对象，基于传热学、热弹塑性基本原理以及有限元理论，采用模拟软件ABAQUS建立了U75V钢轨的三维瞬态非线性有限元模型。模拟钢轨在自然空冷过程中的冷却过程，分析了钢轨自然空冷时温度场、应力场和弯曲变形规律；研究了钢轨在不同冷速条件下的冷却过程中，钢轨在轨头分别喷水10s、20s后的温度、应力分布规律和弯曲变形规律；采用红外线热成像仪对钢轨温度冷却过程的温度场进行了实测，通过实验模拟实验，对比验证了模拟计算结果与实测结果的一致性。模拟结果表明：（1）钢轨在冷却过程中，温度随时间变化规律分为三个阶段：第Ⅰ阶段，即发生固态相变前，温度降低速率比较快；第Ⅱ阶段，固态相变阶段，温度几乎保持不变；第Ⅲ阶段，固态相变后，温度降低比较平缓均匀。（2）钢轨弯曲变形过程也分为三个阶段：第Ⅰ阶段，钢轨向轨底弯曲；第Ⅱ阶段，钢轨由轨底向平直阶段恢复；第Ⅲ阶段，钢轨由平直阶段向轨头弯曲，终冷时刻钢轨是弯向轨头的。（3）不同冷却方案中，钢轨在冷却过程中，温度随时间变化规律趋势与自然空冷条件下是一致的，但钢轨温度降低的速率不同。轨头喷水20s平均温降速率最大，达到0.277℃/s，轨头喷水10s次之，达到0.184℃/s，自然空冷时最低，为0.092℃/s。自然空冷、轨头喷水10s、轨头喷水20s三种实验方案中的挠度、应力值对比分析结果表明：钢轨在冷却过程中，钢轨轨头喷水20s时终冷弯向轨头的弯曲挠度最大0.5m、应力值为200MPa，自然空冷时终冷弯向轨头的弯曲挠度最小0.3m、应力150MPa；三种冷却方案中温度-时间曲线的变化规律是一致的，曲线呈现了一个温度由于相变潜热所产生的温度凸台，该阶段温度大约为630℃左右。本论文的研究为钢轨在线热处理工艺的制定提供实验数据及理论基础，为余热淬火钢轨在线热处理工艺软件的开发与应用提供有效的技术支持。