为解决高速、重载条件下轮轨系统面临的问题,本文使用GPM-30接触疲劳试验机对马钢国产D2车轮钢进行模拟轮轨运行试验,并利用光学显微镜、硬度计、扫描电镜、透射电镜等手段对模拟轮轨运行失效后的D2车轮钢以及实际运行下线的欧洲进口ER8C动车组车轮钢的表层组织及性能进行对比和分析,重点从微观组织和性能演变的角度分析车轮材料的失效过程和白层形成的机制,并对轮轨运行后的表面组织对接触疲劳性能的影响做了深入研究。光镜下高速列车车轮白层大多呈不连续分布的薄层,在光镜下因不易腐蚀而成白色。在扫描电镜下,车轮白层主要由塑性变形碎化的超细晶、动态再结晶得到的铁素体超细晶以及具有超细原奥氏体晶粒的相变马氏体/贝氏体三种类型的组织组成,三者均具有纳米量级的超细组织。分析认为相变白层具有比通常淬火组织更高硬度的原因是由于白层组织具有较高的位错密度同时存在细晶强化的作用。观察到的白层三种组织类型分别对应着三种白层形成机制:力作用为主的机制,热与力综合作用机制,热作用为主的机制。由于温升和塑性变形的深度有限,由轮缘的表层到心部呈现相应的组织变化:越接近运行表面塑性变形程度越剧烈,瞬时高温奥氏体转变程度越高,未溶碳化物越少。白层组织形成后将对后续的轮轨运行起到两方面的作用:其一为白层的高硬度可以提高车轮的耐磨性能,其二为白层组织的硬脆特性将会在白层与基体交界处形成接触疲劳裂纹源进而导致车轮表面材料大块剥落。接触疲劳试样表面首先产生较轻微的波磨,接着逐渐被磨平,最后试样再次发生严重波磨,。摩擦系数急剧上升,试样发生接触疲劳失效。波形磨损是由试样的某一点或几点产生,并随着运行周次的增加而逐渐向试样的整个圆周扩展开的。波峰位置比较平整,剥落较少,且剥落层深较浅。波谷位置发生方向一致且与运行方向成63°的剥落,在低倍下呈平行且高低相间的形貌,高处平整,低处多层状剥落。接触疲劳试验后的试样表面产生了剧烈塑性变形白层与马氏体白层组织,其形成机理分别是以力作用为主的机制和热作用为主的机制。经分析可得,高速动车组车轮的主要失效方式从微观上看有两种:由于白层存在而导致的硬化层剥落(沿白层过渡区整体剥落、白层内部的沿晶剥落),沿塑性变形纤维状组织的浅层剥落。沿白层与塑性变形组织界面处的裂纹一旦萌生将迅速扩展,也说明了白层硬度高、塑韧性差,与塑性变形组织的各项性能差别较大。