随着我国高速铁路的飞速发展,高速铁路系统的运行安全和行车品质越来越受到人们的重视。由于制动力超过轮轨间的最大粘着力高速列车紧急制动时轮轨将会产生相对滑动,轮轨之间的相对滑动摩擦诱发剧烈温升。温升不仅使车轮和钢轨表层产生不可忽视的热应力,同时还使轮轨材料的力学性能产生劣化,进而影响机械应力,热应力和机械应力耦合作用形成轮轨局部接触区的热损伤,严重时会威胁到高速列车的运行安全和行车品质。为研究高速铁路轮轨接触中的热损伤机理,首先需要通过对高速铁路用U75VG轨钢进行不同温度下的单轴拉伸实验和循环变形实验,获取材料在不同温度下的循环变形特性,进而基于实验结果建立U75VG轨钢的循环本构模型,最后利用有限元软件ABAQUS对轮轨滑动接触进行耦合温度-位移弹塑性分析。研究结果将为评估高速铁路钢轨的热伤损机理提供依据。本文的主要工作如下:(1)在25℃~600℃范围内对U75VG轨钢试样进行单轴拉伸、应变循环和应力循环实验。研究表明,U75VG轨钢在300℃附近时动态应变时效显著增强,导致材料在该温度附近的强度表现接近25℃下的表现;动态应变时效在应变循环的初始阶段也提供了附加硬化,使得300℃下U75VG轨钢在应变循环初期表现出循环硬化特性;在应力循环中,该材料表现出显著的棘轮行为,其演化规律与加载应力水平和温度密切相关。(2)基于实验揭示的应变循环特性和棘轮演化规律以及经典的循环粘塑性本构模型,在各向同性硬化和随动硬化方程中引入温度相关项来考虑温度和动态应变时效对应变循环特性和棘轮行为的影响,进而建立温度相关循环粘塑性本构模型。利用隐式应力积分算法将改进模型移植到有限元分析软件ABAQUS中,合理预测了U75VG轨钢不同温度下的单拉、应变循环和应力循环实验。(3)为了分析高速铁路轮轨滑动接触下的钢轨热损伤机理,利用ABAQUS建立轮轨接触三维有限元模型,通过耦合温度-位移分析研究高速列车在滑行时钢轨机械应力、不均匀温升引起的热应力以及材料性能劣化之间的耦合作用。研究表明,由于动态应变时效的影响,耦合温度-位移计算工况和等温计算工况下的应力应变云图较为接近;轴重和摩擦系数的增加都会增大钢轨表面的温升,摩擦系数对温升的影响更大;同时由于动态应变时效的影响,温升在300oC以内U75VG钢轨材料力学性能不会显著降低。