本文主要以铁路辙叉用高锰奥氏体钢和无碳化物贝氏体钢为研究对象,探讨了微结构演变和成分配分两方面对铁路辙叉用合金钢的强度、塑性、韧性和疲劳性能的影响和规律本质。系统地研究了传统高锰钢(Mn12C1.2)和氮碳合金化高锰奥氏体钢(Mn18Cr7C0.6N0.3)的循环变形机制;分析了无碳化物贝氏体钢(46SiMnCrAlMoNi和46SiMnCrAlMoNi1)中不同的组织特性与性能之间的关系;研究了回火对无碳化物贝氏体钢(46SiMnCrAlMoNi1)组织及性能的影响;揭示了无碳化物贝氏体钢(34SiMnCrAlMoNi1和46SiMnCrAlMoNi1)的循环变形行为和疲劳损伤机制;探讨了无碳化物贝氏体的相变行为。制备出了强度和塑性均优于普通高锰钢的铁路辙叉用新型氮碳合金化高锰奥氏体钢,对其进行了低周和高周疲劳试验。研究结果表明:在塑性应变控制疲劳下,Mn18Cr7C0.6N0.3钢中较低的层错能和增强的N-Cr短程有序效应使材料呈循环软化现象。由于低的层错能和高的短程有序效应,Mn18Cr7C0.6N0.3钢表现为显著的平面滑移特点,随循环周次的增加,最终得到稳定的平行或交叉的富位错带和贫位错带结构。Mn12C1.2钢主要表现为循环硬化,短程有序的C-Mn原子对中的C与位错之间的相互反应是高锰钢循环硬化的本质原因。低周和高周疲劳试验的循环变形亚结构均为不完全/完全的位错胞和层错。研究发现:在46SiMnCrAlMoNi和46SiMn CrAlMoNi1贝氏体钢中,低温贝氏体等温转变试样均获得了最佳的强韧性配合,对应着其最少的残余奥氏体含量和最小的组织尺寸。在350℃的贝氏体等温转变时,残余奥氏体分数最高,其中的碳含量最低,薄膜状的残余奥氏体的尺寸更粗大,最终使其屈服强度最低。但薄膜状的残余奥氏体的多尺度分布,使其在拉伸变形的过程中可持续的发生应变诱发马氏体相变,最终得到较高的抗拉强度和较好的总延伸率以及均匀延伸率。研究了回火对46SiMnCrAlMoNi1贝氏体钢经低温贝氏体等温转变获得试样的组织和性能的影响。结果表明:340℃回火试样在保持一定塑性的基础上,具有最优的强韧性配合;320℃和360℃回火试样次之。贝氏体铁素体板条尺寸和贝氏体束的错配角分布在较低温度回火时(<360℃)对回火工艺不敏感,但在较高温度450℃回火时,贝氏体铁素体板条会明显粗化。在回火温度400℃之前,碳的扩散系数都较小,残余奥氏体以向贝氏体转变为主,随温度的增加,残余奥氏体向贝氏体转变的驱动力减小;当回火温度达到450℃后,碳的扩散系数会急剧增加,薄膜状的残余奥氏体由于其中高的碳含量分解成碳化物和铁素体。对34SiMnCrAlMoNi1和46SiMnCrAlMoNi1贝氏体钢的循环变形行为进行了研究。发现:随贝氏体等温转变温度降低,试样的循环硬化能力下降,循环软化程度增强。利用滞回能模型对疲劳性能进行了评价:综合考虑强度和塑性,在疲劳失效寿命<1000周次的疲劳区域,低温贝氏体等温转变试样的疲劳性能更好;在疲劳失效寿命>1000周次的疲劳区域,高温贝氏体等温转变试样的疲劳性能更优。随贝氏体等温转变温度降低,试样的疲劳损伤容限(W0)增加,疲劳损伤速率(β)降低。在循环变形前后置换原子在两相中以及两相界面处的配分情形未有变化,对循环变形行为没有影响。利用三维原子探针和正电子湮没技术对无碳化物贝氏体的相变行为进行了研究。结果表明:无碳化物贝氏体中的贝氏体铁素体均为碳的过饱和,碳除极少数固溶于晶格中,主要存在于团簇中。空位不仅可以作为贝氏体相变过程中碳的扩散通道,又可作为碳的存在位置,结合三维原子探针和正电子湮没试验结果,提出了一个基于空位-碳原子之间相互作用的贝氏体相变机制模型。在高温区和低温区贝氏体等温转变得到的组织中,置换原子Si/Al/Mn/Cr/Ni/Mo在贝氏体铁素体和残余奥氏体之间均不存在再分布,表明无碳化物贝氏体的相变机制为切变机制。