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钢轨隐伤即指钢轨表面裂纹和轨面压溃等形式的失效，是一种十分常见的滚动接触疲劳缺陷。隐伤往往与白蚀层伴随产生在钢轨表面，大量研究表明白蚀层的形成容易促进钢轨表面隐伤失效的发生。与钢轨基体相比，白蚀层具有特殊的组织结构特征，且其形成机制目前尚无统一结论，同时有关白蚀层如何影响钢轨滚动接触疲劳性能的研究目前鲜有报道。
本文基于温升诱导马氏体相变的白蚀层形成机制，以钢轨表面的白蚀层作为研究对象，通过实际线路钢轨表层材料的微观组织结构观测、材料的高速淬火膨胀试验及压缩热模拟试验，同时结合有限元仿真模拟，研究分析轮轨接触热机械耦合效应对钢轨表面温度变化的影响，以及温升诱导马氏体白蚀层生成的相变过程，进而研究马氏体白蚀层的存在对钢轨表面滚动接触疲劳性能的影响，以及白蚀层区域裂纹尖端的起裂特性。主要研究内容及结论如下：
1.对实际运行线路上的退役失效钢轨进行材料微观组织结构分析，观察存在于钢轨隐伤处附近的白蚀层形貌。分析白蚀层显微结构特征、裂纹分布及其扩展特点，测试白蚀层与钢轨基体的显微硬度。通过热膨胀试验和压缩热模拟试验分别获得珠光体钢轨材料在不同温度条件下的相变以及热力学性能参数。结果表明：钢轨白蚀层为马氏体组织结构、呈圆弧状，最大厚度约为20μm。白蚀层首尾两端及中部均发现裂纹存在，首尾两端裂纹均沿白蚀层与钢轨基体界面扩展，中部裂纹垂直扩展穿透钢轨基体界面。珠光体钢轨材料奥氏体化相变起始温度为719℃，快冷生成马氏体的相变温度为255℃。奥氏体的热膨胀系数最高，马氏体的热膨胀系数略低于珠光体。
2.基于实际观测的包含有白蚀层的钢轨组织结构特征，提出一种新的三维热弹塑性有限元建模分析方法，使用与温度相关的钢轨材料模型，实现综合考虑温升引起的材料热应力和热软化效应。将轮轨接触压力与温度分布等效为一个耦合的移动压力斑和热源斑，模拟车轮通过时钢轨表面材料的热机械反应。考虑特定机车车轮配置情况下的多轮通过钢轨表面，研究轮轨接触过程中由于滑滚比不同引起的温度变化以及应力-应变场变化。评估温升能否使钢轨表面材料奥氏体化，同时计算钢轨的疲劳寿命和磨损率。结果表明：钢轨表面瞬态温升随滑滚比的增大而增大，且热影响层更深。当滑滚比为9.43%时，连挂机车的第9个车轮通过后，轨面最高温升达776.05℃，能够使钢轨材料奥氏体化。滑滚比大于2.38%时，温升导致材料出现热软化，此时应力应变显著增加。钢轨疲劳寿命随滑滚比的增大而降低，滑滚比为9.43%时，钢轨的疲劳寿命为1.07×106次循环。当滑滚比小于2.38%时，钢轨寿命大于5×106次循环。较大的滑滚比参数导致轮轨接触温升较高，进而磨损加剧。根据温升的不同，将轨面磨损分为三类：轻度磨损、中度磨损和严重磨损。通过与现有试验观测结果对比，验证了该模型的合理准确性。
3.依据试验获得的珠光体-奥氏体-马氏体相变参数，基于上述模型，分析多车轮通过时钢轨表面的温度演化，以及温升引起钢轨表层材料的相变过程。计算连挂机车通过次数对马氏体白蚀层体积分数以及厚度变化的影响。结果表明：当轨面累积温升超过奥氏体相变温度TAC1后，高冷却速率使奥氏体组织完全转变生成马氏体。由于轮轨接触时间极短，单次轮轨接触温升只能使少量的珠光体组织经由奥氏体转变为马氏体。第1列车(共12个车轮)通过后，钢轨表面生成的马氏体体积分数为1.89%。此时轨面材料的结构及热性能参数均发生变化。在后续列车的通过过程中，除了加热马氏体逆转变为奥氏体外，更多的热量会被珠光体基体吸收，导致奥氏体体积分数的增加，故马氏体的体积分数也增加。第3列车通过之后，后续列车通过导致的马氏体体积分数增加量趋于稳定，约为2%。当10列车完全通过之后，马氏体体积分数增至19.78%。
4.选取钢轨沿车轮前进方向的纵向截面，建立包含有白蚀层存在于钢轨表面的轮轨滚动接触二维平面应变有限元模型。分析白蚀层的存在对钢轨表面应力应变，以及残余应力分布的影响。系统地研究不同强度等级钢(标准碳钢、轨头强化钢)、摩擦系数、加载压力、滑滚比以及白蚀层几何尺寸等参数对白蚀层滚动接触疲劳的影响。结果表明：车轮从钢轨基体表面滚动至白蚀层表面时，接触应力显著增大，接触应力值随着钢轨材料强度的增大而增大。摩擦系数和加载压力的增加会导致钢轨基体与白蚀层的等效应力差值增大。加载压力、摩擦系数和白蚀层几何尺寸对钢轨基体及白蚀层首端位置的应力分布均有较大影响，相比之下，滑滚比参数的影响较小。沿车轮前进方向上的钢轨残余应力为压应力状态，最大值达到600-700MPa，该结果与试验测量结果吻合。在白蚀层区域1mm的深度范围内，存在三个不同的残余应力梯度区域：区域Ⅰ为高位错密度细晶区，残余应力值最大；区域Ⅱ为混合微结构区，残余应力逐渐下降；区域Ⅲ为珠光体片层结构，残余应力值无明显变化。这与现有试验研究报道的微观组织结构演变规律一致。钢轨基体表面、白蚀层表面以及白蚀层与钢轨基体界面三处位置中，白蚀层表面的疲劳寿命较低。确定了影响疲劳寿命的白蚀层临界尺寸长厚比值为5，白蚀层区域不同位置的疲劳寿命随长厚比值的增加而增加，当长厚比值大于5时疲劳寿命略有下降。
5.基于试验观测的白蚀层裂纹形貌特征，根据钢轨表面白蚀层的二维平面应变有限元模型，在白蚀层首端、中部和尾端预制不同长度和倾角的初始裂纹。应用应力强度因子准则和J积分准则，评估轮轨滚动接触过程中白蚀层不同部位裂纹尖端的起裂特性。研究不同裂纹长度、裂纹倾角、加载压力以及摩擦系数等对白蚀层裂纹尖端起裂特性的影响。结果表明：白蚀层首端裂纹最容易开裂，而尾端裂纹最不容易开裂。随着裂纹长度的增加，各个位置裂纹尖端的J积分最大值均减小。当白蚀层中部裂纹扩展至钢轨基体界面时，由于材料的不连续导致J积分值明显增大。白蚀层首端裂纹将沿白蚀层与基体界面方向起裂，中部裂纹扩展至基体界面后，穿过界面并以微小倾角继续扩展。尾端裂纹有两种起裂方向，其一沿白蚀层与钢轨基体界面，其二朝向钢轨基体并沿着塑性变形方向。白蚀层区域裂纹的起裂行为中，剪切模式起主导作用；加载压力和轮轨摩擦系数对白蚀层裂纹尖端的起裂特性影响较大。
本文基于温升诱导马氏体相变的白蚀层形成机制，以钢轨表面的白蚀层作为研究对象，通过实际线路钢轨表层材料的微观组织结构观测、材料的高速淬火膨胀试验及压缩热模拟试验，同时结合有限元仿真模拟，研究分析轮轨接触热机械耦合效应对钢轨表面温度变化的影响，以及温升诱导马氏体白蚀层生成的相变过程，进而研究马氏体白蚀层的存在对钢轨表面滚动接触疲劳性能的影响，以及白蚀层区域裂纹尖端的起裂特性。主要研究内容及结论如下：
1.对实际运行线路上的退役失效钢轨进行材料微观组织结构分析，观察存在于钢轨隐伤处附近的白蚀层形貌。分析白蚀层显微结构特征、裂纹分布及其扩展特点，测试白蚀层与钢轨基体的显微硬度。通过热膨胀试验和压缩热模拟试验分别获得珠光体钢轨材料在不同温度条件下的相变以及热力学性能参数。结果表明：钢轨白蚀层为马氏体组织结构、呈圆弧状，最大厚度约为20μm。白蚀层首尾两端及中部均发现裂纹存在，首尾两端裂纹均沿白蚀层与钢轨基体界面扩展，中部裂纹垂直扩展穿透钢轨基体界面。珠光体钢轨材料奥氏体化相变起始温度为719℃，快冷生成马氏体的相变温度为255℃。奥氏体的热膨胀系数最高，马氏体的热膨胀系数略低于珠光体。
2.基于实际观测的包含有白蚀层的钢轨组织结构特征，提出一种新的三维热弹塑性有限元建模分析方法，使用与温度相关的钢轨材料模型，实现综合考虑温升引起的材料热应力和热软化效应。将轮轨接触压力与温度分布等效为一个耦合的移动压力斑和热源斑，模拟车轮通过时钢轨表面材料的热机械反应。考虑特定机车车轮配置情况下的多轮通过钢轨表面，研究轮轨接触过程中由于滑滚比不同引起的温度变化以及应力-应变场变化。评估温升能否使钢轨表面材料奥氏体化，同时计算钢轨的疲劳寿命和磨损率。结果表明：钢轨表面瞬态温升随滑滚比的增大而增大，且热影响层更深。当滑滚比为9.43%时，连挂机车的第9个车轮通过后，轨面最高温升达776.05℃，能够使钢轨材料奥氏体化。滑滚比大于2.38%时，温升导致材料出现热软化，此时应力应变显著增加。钢轨疲劳寿命随滑滚比的增大而降低，滑滚比为9.43%时，钢轨的疲劳寿命为1.07×106次循环。当滑滚比小于2.38%时，钢轨寿命大于5×106次循环。较大的滑滚比参数导致轮轨接触温升较高，进而磨损加剧。根据温升的不同，将轨面磨损分为三类：轻度磨损、中度磨损和严重磨损。通过与现有试验观测结果对比，验证了该模型的合理准确性。
3.依据试验获得的珠光体-奥氏体-马氏体相变参数，基于上述模型，分析多车轮通过时钢轨表面的温度演化，以及温升引起钢轨表层材料的相变过程。计算连挂机车通过次数对马氏体白蚀层体积分数以及厚度变化的影响。结果表明：当轨面累积温升超过奥氏体相变温度TAC1后，高冷却速率使奥氏体组织完全转变生成马氏体。由于轮轨接触时间极短，单次轮轨接触温升只能使少量的珠光体组织经由奥氏体转变为马氏体。第1列车(共12个车轮)通过后，钢轨表面生成的马氏体体积分数为1.89%。此时轨面材料的结构及热性能参数均发生变化。在后续列车的通过过程中，除了加热马氏体逆转变为奥氏体外，更多的热量会被珠光体基体吸收，导致奥氏体体积分数的增加，故马氏体的体积分数也增加。第3列车通过之后，后续列车通过导致的马氏体体积分数增加量趋于稳定，约为2%。当10列车完全通过之后，马氏体体积分数增至19.78%。
4.选取钢轨沿车轮前进方向的纵向截面，建立包含有白蚀层存在于钢轨表面的轮轨滚动接触二维平面应变有限元模型。分析白蚀层的存在对钢轨表面应力应变，以及残余应力分布的影响。系统地研究不同强度等级钢(标准碳钢、轨头强化钢)、摩擦系数、加载压力、滑滚比以及白蚀层几何尺寸等参数对白蚀层滚动接触疲劳的影响。结果表明：车轮从钢轨基体表面滚动至白蚀层表面时，接触应力显著增大，接触应力值随着钢轨材料强度的增大而增大。摩擦系数和加载压力的增加会导致钢轨基体与白蚀层的等效应力差值增大。加载压力、摩擦系数和白蚀层几何尺寸对钢轨基体及白蚀层首端位置的应力分布均有较大影响，相比之下，滑滚比参数的影响较小。沿车轮前进方向上的钢轨残余应力为压应力状态，最大值达到600-700MPa，该结果与试验测量结果吻合。在白蚀层区域1mm的深度范围内，存在三个不同的残余应力梯度区域：区域Ⅰ为高位错密度细晶区，残余应力值最大；区域Ⅱ为混合微结构区，残余应力逐渐下降；区域Ⅲ为珠光体片层结构，残余应力值无明显变化。这与现有试验研究报道的微观组织结构演变规律一致。钢轨基体表面、白蚀层表面以及白蚀层与钢轨基体界面三处位置中，白蚀层表面的疲劳寿命较低。确定了影响疲劳寿命的白蚀层临界尺寸长厚比值为5，白蚀层区域不同位置的疲劳寿命随长厚比值的增加而增加，当长厚比值大于5时疲劳寿命略有下降。
5.基于试验观测的白蚀层裂纹形貌特征，根据钢轨表面白蚀层的二维平面应变有限元模型，在白蚀层首端、中部和尾端预制不同长度和倾角的初始裂纹。应用应力强度因子准则和J积分准则，评估轮轨滚动接触过程中白蚀层不同部位裂纹尖端的起裂特性。研究不同裂纹长度、裂纹倾角、加载压力以及摩擦系数等对白蚀层裂纹尖端起裂特性的影响。结果表明：白蚀层首端裂纹最容易开裂，而尾端裂纹最不容易开裂。随着裂纹长度的增加，各个位置裂纹尖端的J积分最大值均减小。当白蚀层中部裂纹扩展至钢轨基体界面时，由于材料的不连续导致J积分值明显增大。白蚀层首端裂纹将沿白蚀层与基体界面方向起裂，中部裂纹扩展至基体界面后，穿过界面并以微小倾角继续扩展。尾端裂纹有两种起裂方向，其一沿白蚀层与钢轨基体界面，其二朝向钢轨基体并沿着塑性变形方向。白蚀层区域裂纹的起裂行为中，剪切模式起主导作用；加载压力和轮轨摩擦系数对白蚀层裂纹尖端的起裂特性影响较大。