本文的目的是研究低合金含Al纳米贝氏体辙叉钢的微观组织、力学性能和耐磨性,以及含Al贝氏体钢氢脆现象的第一性原理的计算,为新型贝氏体辙叉钢的设计提供依据,同时从微观角度来研究钢中的氢脆现象。本文以铁路上使用的贝氏体辙叉钢的成分为依据,在满足其各项性能指标的基础上,设计出含Al贝氏体辙叉钢用材。通过对其常规力学性能的测试,得出理想的正火-回火工艺。通过对组织和力学性能的分析,得出理想的等温淬火工艺。通过纳米压痕和纳米划痕实验,对不同热处理工艺下试样的微观力学性能进行研究。利用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)和透射电镜(TEM)对处理后试样的相组成和组织进行了研究,然后测定了不同热处理工艺下试样的干摩擦磨损性能。最后,利用第一性原理的密度泛函理论,研究了含Al贝氏体钢中的氢脆现象。研究结果表明:本实验材料的最佳正火-回火工艺为:900℃奥氏体化0.5 h,350℃回火2 h。最佳等温淬火工艺为:920℃奥氏体化1 h,350℃等温淬火10 h。试样经正火-回火处理后,硬度值为63.2 HRC,韧性为46.9 J/cm2;经等温淬火处理后,硬度值为47 HRC,韧性为85.4 J/cm2;等温淬火处理后材料的性能满足铁路线路辙叉用钢标准。纳米划痕和压痕试验表明,等温淬火后试样的摩擦系数及微观硬度小于正火-回火处理后的试样,弹性模量大于正火-回火处理后的试样。在载荷为200 N、300 N,转速为200 r/min的条件下,等温淬火后试样的失重小于高速钢标准试样,其耐磨性较好。通过第一性原理对不同铝、硅含量的铁单胞的形成能进行计算,结果表明,钢中可以用Al代替Si作为促进贝氏体转变过程的元素;氢原子进入铝作为置换原子的铁单胞后,体系的相对形成能值大于硅作为置换原子的铁单胞,这说明氢原子更加容易进入铁硅单胞,因此,含Al贝氏体钢比含Si贝氏体钢氢脆敏感性低。