随着铁路向高速重载方向发展,在轮轨滚动接触过程中,车轮处于强摩擦力、多场耦合作用下运行,因此车轮材料的摩擦磨损及疲劳损伤行为变得越发复杂。车轮作为一个典型的摩擦疲劳部件,系统研究车轮材料摩擦疲劳损伤机理与规律,建立车轮材料的磨损图和摩擦疲劳损伤机制图,对预防和减缓铁路车轮疲劳损伤是十分必要的。本文使用JD-1轮轨模拟试验机基于不同制动时速度、运行速度、预制裂纹参数、曲线半径、切向力和接触应力进行轮轨滚动模拟试验,利用光学显微镜、维氏显微硬度仪、激光共聚焦扫描显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射等分析手段研究车轮材料滚动摩擦疲劳损伤行为。从摩擦学和材料学角度,利用电子背散射衍射、聚焦离子束、透射电子显微镜分析滚动接触过程中车轮材料塑性变形区微观组织结构演变行为和规律。论文主要研究工作及得到的结论如下:(一)阐明了轮轨滚动接触过程中试验参数对车轮材料摩擦疲劳损伤的影响随着制动时速度增大,轮轨间摩擦热增大,由摩擦热引起车轮材料屈服强度及其他机械性能下降加剧了热疲劳裂纹损伤,在相应热应力和摩擦热作用下,热疲劳裂纹容易萌生枝裂纹,并向车轮试样内部扩展,进而导致严重的摩擦热疲劳损伤。随着运行速度不断增大,车轮试样表面的主要损伤机制由剥落、轻微表面疲劳损伤转变为严重的疲劳损伤,疲劳裂纹从车轮试样磨损表面萌生并在塑性变形层内沿着较软的铁素体线进行扩展。弯矩作用下在车轮试样预制裂纹尖端及其两侧附近萌生扩展裂纹,且裂纹扩展方向不完全沿着预制裂纹的初始方向,裂纹扩展方向很容易发生改变,有枝裂纹沿着主裂纹萌生,同时车轮材料裂纹扩展机制主要是穿晶断裂。车轮试样磨损表面萌生的斜裂纹是由其所受切向力和横向力合力引起的;且表面斜裂纹的开口方向与表面摩擦力的合力方向垂直。(二)建立了车轮材料的摩擦疲劳损伤机制图系统分析切向力和接触应力对车轮材料磨损与摩擦疲劳损伤行为影响。根据车轮试样磨损率,建立了车轮材料磨损图并将其分成三个区域:轻微磨损区、严重磨损区和灾难性磨损区;通过分析各试验参数下车轮试样表面摩擦损伤形貌和统计车轮试样剖面平均裂纹长度,建立了车轮材料摩擦疲劳损伤图并将其分成三个区域:轻微疲劳损伤区、疲劳损伤区和严重疲劳损伤区。(三)揭示了滚动接触条件下车轮材料近表层塑性变形区微观组织结构演变行为车轮试样微观组织沿深度方向呈现明显的梯度微观结构:0~20μm厚纳米晶体区域、20~45μm深度范围的亚微米晶粒区域、45~80μm深度范围的变形微米晶粒区域和深度大于80μm的未变形基体区域。滚动接触过程中车轮材料微观组织演变行为:首先发生塑性变形,珠光体片层间距减小,少量渗碳体发生断裂破碎和溶解,铁素体内部出现大量位错;其次在铁素体内位错缠结形成位错胞,位错墙转变成亚晶界;再次新形成具有小角度取向差的亚晶界转变为晶粒取向随机的大角度取向差晶界;最后在较高应变和应变速率下,细化的晶粒反复发生塑性变形、进而形成位错胞、位错墙转变成亚晶界,且由小角度晶界向大角度晶界转变,直到晶粒尺寸达到稳定的最小值时,晶粒细化才停止。