车轮的可靠性关系着列车运行的安全及经济性。现有珠光体车轮已难以适应未来铁路高速重载发展的需求。新型Mn-Si-Cr系贝氏体钢因其优良的综合性能而具有成为满足铁路发展需求的新一代车轮钢的良好前景。贝氏体车轮的生产过程中,表面淬火对车轮的综合性能起到至关重要的作用。但在生产过程中,因高温环境和尺寸较大等原因,难以进行车轮现场的表面淬火工艺研究。本论文以Mn-Si-Cr系贝氏体车轮为研究对象,测定了连续冷却转变(CCT)和等温转变(TTT)特征曲线;研究了贝氏体和马氏体动力学特征;利用计算机模拟技术,建立了表面淬火过程中温度、组织和性能(硬度)的有限元模型;并结合车轮实物性能检测,验证了模型的可靠性。同时预测了表面淬火工艺参数对轮辋组织和性能的影响,从而可为车轮大生产过程的热处理工艺参数调整提供借鉴。获得主要结果如下:冷却速度对Mn-Si-Cr系新型贝氏体车轮钢显微组织和性能影响较大。在较宽冷速范围内,该钢可发生贝氏体相变。最终显微组织以贝氏体+马氏体为主。Koistinen-Marburger(K-M)方程可用于计算车轮钢在表面淬火过程中的马氏体转变量,其转变速率α为0.026。Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(J-M-A-K)方程适用于车轮钢等温过程中的贝氏体转变动力学计算,据此得到的贝氏体相变激活能Q为52.17 k J/mol,Avrami指数n约为1.52187,lnk的平均值为-8.51094;结合了相变潜热、相变动力学、瞬态传热以及复杂耦合多相转变等多因素在内,建立了车轮表面淬火热处理的有限元模型。新模型可用于预测车轮淬火过程中金属-热-组织的瞬态变化行为;所建立模型具有很高的可靠性,模拟的温度分布与实测温度误差小于5%;新模型对车轮淬火过程中的组织场预测精度高,预测的车轮不同位置硬度值与实物车轮的硬度检测值误差在2 HRC以内,可为工业生产提供有效借鉴。实物车轮的表面淬火过程中,不同位置对应冷速的差异导致了显微组织的不同,从而对应了不同位置性能的差异。踏面下约20 mm深度位置其强韧性匹配最好,约30 mm深度位置残余奥氏体含量最多。在踏面下50 mm深度位置以内的轮辋部分,从踏面往里,显微组织逐步过渡到以粒状贝氏体为主;新模型可预测表面淬火工艺参数对车轮性能的影响。模拟结果表明,通过适当调整目前喷水淬火过程中的喷水时间间隔参数,有利于贝氏体车轮获得优化的综合性能。喷水淬火过程中,在增大喷水强度和延长第一次喷水时间情况下,轮辋附近可获得较高硬度。新模型的预测可为获得适应于不同轮轨服役条件的硬度匹配提供借鉴。