钢轨是铁路运输的重要组成部分，随着我国铁路高速化和重载化进程的加快，钢轨因各种因素造成的失效形式越来越多，这会对铁路运输的安全性造成严重威胁。对含缺陷钢轨进行失效分析，查明失效原因，进而采取措施防止该类失效模式的产生。通过探索钢轨无损探伤的新方法，实现钢轨内部不同形式缺陷的检出，杜绝钢轨潜在的安全隐患。这些已经成为具有实际意义的研究课题。本文通过对某企业推焦车用U71Mn重型钢轨的失效分析和无损检测方法的研究，找出了钢轨的损伤模式，分析了钢轨的失效机理。针对含该类缺陷的钢轨进行了有限元仿真模拟和断裂力学计算，为含缺陷钢轨的安全评价提供了理论依据，同时将超声成像技术应用到含缺陷钢轨的检测中，探索出钢轨超声检测的新途径。通过对U71Mn钢轨的宏观检测发现钢轨表面存在大量宏观缺陷。主要有踏面的挤压变形和纵向裂纹。磁粉探伤结果显示钢轨纵向剖面中心部位存在大量微裂纹，此处是纵向裂纹的起裂源。对钢轨钢的力学性能测试表明钢轨钢的抗拉强度和硬度符合标准要求，残余应力检测结果进一步说明钢轨踏面受力不均匀。通过对钢轨钢的微观组织和化学成分分析，找出了钢轨失效的根本原因是白点行为，并进一步分析了白点断口的微观形貌以及阐述了白点的形成机理。另外，本文确定了U71Mn钢轨钢的正常金相组织为片层状珠光体，所含夹杂物主要为硫化锰，并进一步分析了微量元素特别是锰元素对钢轨物理特性的影响。通过有限元仿真和断裂力学计算找出了钢轨失效的应力因素，并针对白点裂纹缺陷计算出钢轨的最大承受应力和临界缺陷尺寸，确立了含缺陷钢轨的安全评价方法。利用CIVA软件对钢轨超声成像检测仿真结果显示，对横向裂纹可以利用超声相控阵实现检出，对于纵向裂纹可以利用超声TOFD实现检出，并对仿真检测结果进行了处理，实现了对缺陷的定位和定量分析。