目前,单一性能的材料越来越难以满足社会的需求,将不同性能的材料进行有机的结合,成为了未来材料的发展趋势。针对上述趋势,本文设计了一种新的工艺,通过控制冷却对钢进行单向冷却,使钢材组织产生梯度变化,表面分布具有高强度、高硬度和高耐磨性的组织,如马氏体和贝氏体组织等；而在材料的内部则分布具有高韧性、塑性较好的组织,如铁素体和珠光体组织等。这种组织呈梯度分布、两侧组织性能各有优势的材料,其高强度、高硬度一侧能够满足对强度和耐磨性的需求；高韧性、塑性良好的一侧,能够满足对韧性和加工变形的需求；钢板为有机、统一的整体,两侧组织虽然有差异,但是该差异为渐变过程,两层之间冶金结合强度良好；低合金钢碳含量较低满足了对焊接性能的需求。因此,组织具有梯度分布特点的材料能够同时满足齿轮、轴承等工件所需的,耐磨性、高强度性、加工变形、高韧性、焊接性等需求。本文通过对试验钢进行冷却实验分析了实验钢在单向冷却过程中的相变规律,发现材料的组织、硬度、晶格常数、韧性拉伸性能均呈梯度分布：在热轧单向控制冷却条件下对该规律进行了验证,并分析控制轧制对梯度组织的影响；最后,与正常控轧控冷工艺条件下的力学性能进行对比,分析梯度组织材料对实验钢的力学性能带来的影响。(1)单向冷却使冷却速度和冷却温度呈梯度分布,低合金钢在厚度方向上出现梯度组织,试验钢沿厚度方向晶粒尺寸和金相组织构成产生梯度变化,越靠近冷却侧晶粒越细小,贝氏体组织越多。(2)冷却温度和速度的梯度分布,使合金元素和碳的扩散速度不同,实验钢晶格常数沿厚度方向产生梯度变化,虽然金相组织同样是钢的体心立方结构,但是晶格常数产生了变化,A#实验钢两侧晶格常数相差最大达到0.008埃。(3)快冷侧合金元素和碳的固溶度较高、晶粒尺寸较细、贝氏体组织较多,因此实验钢的硬度在厚度方向上呈梯度变化,B#实验钢快冷侧相对于缓冷侧B#实验钢硬度由266.11HV降至212.34HV,硬度高50HV。(4)快冷侧含有更多的贝氏体组织等高强度组织,缓冷侧含有更多塑性较好的铁素体和珠光体组织,两侧塑性和强度出现差异。C#实验钢室温拉伸断口显示两侧断裂韧窝尺寸相差1.9μm；D#实验钢甚至断裂方式出现明显差异,由韧性断裂方式过渡到韧-脆混合断裂方式。(5)与热轧均匀组织相比,热轧梯度组织的屈服强度和抗拉强度有所降低,D#钢的屈服强度由692MPa降至497MPa,抗拉强度由935MPa降至920MPa；与均匀组织相比,梯度组织结构的屈强比明显降低,D#钢的屈强比由0.74降低到0.52,由此证明梯度组织具有了良好的成形能力。