随着汽车等机械工业的发展,对制造各类螺栓紧固件材料提出了更高的要求,原用的螺栓尤其是发动机螺栓,已难以满足轻量化且高应力化的要求。为适应这一发展趋势,大力发展了省略热处理工序的非调质钢、双相钢、节约合金元素的硼钢等,但高质量发动机螺栓仍主要使用Cr-Mo钢系列。本文以高强度螺栓用钢组织性能控制的各个关键环节为研究对象,分析了铸坯凝固过程与加热过程,总结了各种因素对碳扩散的影响,建立了室温及高温变形抗力模型,研究了固态相变,通过与有限元技术结合控制组织转变过程,研究了加热过程对晶粒长大的影响,并对高强度螺栓钢的动静态再结晶规律进行了深入分析,主要研究获得结果如下：(1)连铸坯浇注温度由1551℃降低到1511℃后,晶粒的最大面积减小了6.6倍,平均半径减小了28%,柱状晶区由79.16%减少到了7.1%,柱状晶变短变细,同时中心等轴晶由13.79%扩大到69.1%,但中心处晶粒的平均半径变化不大。拉速对凝固位置影响较为显著,通过调节形核数与成分,可以优化凝固组织。(2)通过建立铸坯加热过程的有限元模型,得到在现有加热制度下,随着热送温度的增加,最大应变量逐步减少,应力在700℃时存在一个拐点,而应力也逐步出现双应力峰值。为减小应力应变及其波动,适合的热送温度在600℃左右。(3)通过实验得到了550～1250℃时的微应力状态对脱碳的影响,其脱碳层厚度并非随温度的增加一直增加,通过调试求解,得到750℃时碳的扩散系数为1.1×10-12m2/s,扩散激活能为415.9kJ/mol.实测了无应力时900～1200℃高温区的脱碳层厚度,其存在950℃及1100℃两个峰值点,在900～1100℃奥氏体区,高强度螺栓钢无应力时的扩散常数为6.62×10-4 m2/s,扩散激活能为189.5kJ/mol。当晶粒尺寸由92.8μm降低到15.8μm时,得到750℃时碳的扩散系数由6.8×10-13m2/s升到1.25×10-12m2/s。而当原始组织为马氏体、贝氏体时,碳扩散的差异性较小。(4)高强度螺栓钢的室温最大均匀真塑性应变为12.4%,并建立了与应变量耦合的高强度螺栓钢高温本构关系模型,使用新的5次多项式来表达材料常数与应变量的关系。(5)通过热模拟实验得到了相变临界点,并绘制了动静态CCT曲线。当冷速为0.05℃/s时,钢的显微组织已经出现贝氏体组织。以回归分析法获得了相变模型与相变量模型,计算出轧制每道次的温度升高值,通过实验与有限元相结合控制冷却,控制了铁素体与珠光体的生成,延长贝氏体的转变时间及转变量,避免马氏体的大量产生。(6)测试了不同的保温时间及保温温度时,奥氏体晶粒长大的开始阶段、长大阶段、稳定阶段。对于不同加热温度时晶粒的长大阶段,回归出了高强度螺栓钢奥氏体晶粒的长大规律模型。(7)回归确定了高强度螺栓钢的动态再结晶激活能为308.066kJ/mol。采用数学方式确定了动态再结晶临界应变值,建立了高强度螺栓钢临界应变、峰值应变、临界应力、峰值应力与Z参数之间的经验关系式,并确定了动态再结晶Avrami动力学方程的时间指数为1.355,进而回归出了Avrami常数与应变速率的关系。得到高强度螺栓钢静态再结晶激活能为182.8kJ/mol,并确定了高强度螺栓钢的静态再结晶动力学方程。