铌作为钢中最典型的微合金化元素之一,可显著改善高碳钢的组织和性能。但是关于铌对高碳钢组织影响的研究还不深入,铌在高碳钢中的存在形式也不明确。因此对铌对高碳钢的应用设计了碳含量为0.86%不含铌和碳含量为0.86%铌含量为0.04%的两种钢作为研究对象,通过正火热处理和退火热处理实验,采用金相显微镜、扫描电子显微镜观察高碳钢的先共析渗碳体和球化渗碳体组织,研究铌对珠光体相变的影响规律和铌对传统退火工艺下渗碳体的影响,探究出铌对高碳钢组织的影响。并通过电子探针等分析测试方法,探究出铌在高碳钢中的存在形式及其规律,揭示出铌的偏聚和对珠光体片层间距影响的原因。本文还通过第一性原理计算,利用Materials Studio软件,从理论层面计算出铌在高碳钢奥氏体和高温渗碳体中的分配焓,探究铌的存在形式。通过实验与理论的结合,探寻铌在高碳钢中的存在状态及其对奥氏体的影响。针对含铌钢和不含铌钢的正火态组织进行金相和扫描电镜观察,发现不含铌钢的金相组织出现少量的先共析渗碳体,而含铌钢则不会出现。通过XRD衍射分析发现,由于加入0.04%的铌,由过共析钢变为了亚共析钢,使共析点向右移动,原来的二次渗碳体组织消失,取而代之的是铁素体组织;本文还利用电子探针观察了铌在高温相中和退火态下的存在形式,得出铌的偏聚和碳化铌的析出是导致珠光体片层间距减小的根本原因。通过900、925、950℃下的淬火态组织电子探针分析时发现铌在高碳钢晶界处的含量要明显高于晶内含量,而随着温度的升高,铌在晶界的偏聚量和偏聚位置是先增加后减小的,通过研究铌在钢中的固溶度,发现铌偏聚的量是和碳化铌析出成反比的;在对正火前高温时900、925和950℃进行了分析,发现铌偏聚的规律性与淬火态基本相同,优先偏聚在晶界处,但由于冷却速度较慢,存在铁素体和渗碳体,铌原子进行了充分扩散与析出,偏聚量要明显小于淬火态,而碳化铌的量要明显增加。在研究传统退火工艺时发现,铌的加入可显著简化传统退火工艺的复杂程度,对比含铌与不含铌钢的730、760和790℃下的球化状态发现,不含铌的高碳钢只有在730℃下才能完成大部分渗碳体的球化状态,而含铌钢在不同温度下都能表现出良好的球化状态,在730℃保温3小时时,渗碳体表现为最佳的球化状态。本文利用第一性原理计算结合实验的方法研究了Nb在高碳钢奥氏体中的偏聚行为,运用第一性原理的密度泛函理论,运用广义梯度近似,PW91泛函这种形式,计算了Nb在γ-Fe（C）晶胞和Fe₃C之间的分配行为和占位情况,并且分析了Nb占据γ-Fe（C）晶胞面心位置的态密度、布居数、差分电荷密度。计算结果表明Nb原子取代奥氏体面心和顶角位置的几率相同,Nb原子易于取代Fe₃C的4c位置的Fe原子,Nb在γ-Fe（C）和Fe₃C之间的分配焓是负的,说明Nb易于偏聚到γ-Fe（C）晶胞。Nb在γ-Fe（C）中的电子结构分析表明,Nb原子失去电子,Fe原子即得到电子又失去电子,C原子得到电子,说明Nb固溶于γ-Fe（C）晶胞成键作用较强,这种键合作用增强了γ-Fe（C）晶胞的稳定性。计算结果与实验结果相近,计算可行。