高碳珠光体钢以其高强度、高耐磨性在钢轨中得到广泛应用。本文以八种高碳钢作为研究对象,采用Gleeble 3500热力模拟试验机对试验钢进行轧后欠速冷却模拟处理,最终得到珠光体组织。利用扫描电镜进行组织观察并统计珠光体片间距,应用透射电镜分析拉伸塑性变形机理,并采用三维原子探针设备分析合金元素在铁素体相与渗碳体相中的分布,研究了Al、Mn、Cr、Si对纳米珠光体的形成与性能的影响。研究结果表明,提高Al含量或降低Mn含量,珠光体片间距得到显著细化。在100 oC/min的冷却速度下,钢的珠光体片间距达到了80 nm左右,珠光体钢的抗拉强度达到了1670 MPa,延伸率达到了11.2%。在珠光体相变过程中,Al增加,Mn降低促进珠光体团的形核,同时Al增加,Mn降低会增大珠光体转变自由能,使得珠光体片间距得到细化。Al和Si为非碳化物形成元素,不溶于渗碳体,向铁素体相中偏聚,Mn和Cr为碳化物形成元素,向渗碳体相中偏聚,合金元素的配分过程减慢了珠光体长大的过程。珠光体组织形态与力学性能受冷却速度的影响,冷却速度较慢时,过冷度小,珠光体形核数量较少,珠光体组织片间距较为粗大,渗碳体片规则排列,硬度与强度较低;当冷速增大时,过冷度也随之增大,珠光体形核较多,珠光体片间距得到细化,渗碳体片层呈断续状,钢的硬度与强度升高。