高锰钢辙叉材料的研究和产业发展一直是高速铁路最为关键的部分。为了有效的提高高锰钢辙叉的服役寿命,研究人员采取了许多方法以及途径,从诸多角度来分析并改善高锰钢辙叉的材料特性以及使用状态。辙叉作为高锰钢使用最为广泛的部分,继承了高锰钢材料的性能优点同时依然保留有一些明显的缺陷,主要表现就在于高锰钢材料初始的低硬度难以负载铁路运输。然而,高锰钢天生又具备优秀的加工硬化性能,使得该材料在受冲击后表面产生明显的加工硬化现象,保证了其工作稳定性。关于高锰钢的硬化机制原理的观点虽然从未被国内外专家学者统一,但其加工硬化的能力却是工程领域研究学者们关注的重点。铁路运输系统中,利用高锰钢这种特殊的材料性质,针对性优化材料的使用性能,以提升辙叉服役时间,减少铁路运输系统的运营成本。本文希望通过实验来模拟常见高锰钢材料受巨大冲击载荷的工程实际情况,来研究高锰钢的机械冲击的硬化性能,并借鉴有限元法分析验证试验,并计算高锰钢材料的应力分布状况。研究内容之一是高锰钢辙叉的机械冲击硬化试验。高锰钢辙叉在铁路系统应用中受列车自身条件的影响因素很大,所受冲击载荷巨大且不易获得,故而选取常见的工程机械设备作为研究对象,计算并得出其所受冲击能量参数,以此为依据自制机械冲击试验台,模拟实际工程中高锰钢受冲击载荷硬化规律。其结果表明,高锰钢辙叉材料存在一个临界冲击功值,当冲击功大小超过该值时,材料表面会表现出明显的加工硬化效果。然而,高锰钢辙叉材料的临界冲击功并不唯一,其大小随材料组织结构的改变而改变。故本文提出了高锰钢机械冲击预硬化的临界冲击功大小的相对性,它的意义不仅仅是作为加工硬化规律和机制的衡量标准,同时对高锰钢材料的加工硬化效率起到很大的影响。研究内容之二是高锰钢辙叉高应变率情况的本构方程。常见的高锰钢材料虽然有比较完整的本构参数,但不可避免的存在着一定偏差,而应变率对金属材料的变形影响却十分巨大。为更加准确的还原高锰钢辙叉冲击试验的硬化效果,需通过拉伸实验配合一定的数值方法重建高锰钢辙叉的本构方程。得到高锰钢辙叉材料的Johnson-Cook本构模型,不仅丰富了该材料的模型数据库,而且为之后使用ABAQUS有限元软件的仿真打下了基础。研究内容之三是使用有限元软件ABAQUS仿真计算高锰钢辙叉的机械冲击硬化的试验过程。仅仅只是通过机械冲击的试验,很难观测到材料的内部应力应变的历程情况,而通过有限元仿真,使得观测结果变得更为直观和简单。模拟仿真数据表明,冲击试验结果与数据结果基本保持吻合,表面硬度达到33.2 HRC、硬化层深度达到12.1 mm,基本满足高锰钢辙叉预硬化的服役要求。