当前国内经济高速发展,大宗货物和能源的流通变得日益频繁,我国重载铁路面临的运输压力也与日俱增。随着轴重、行车密度、行车速度和通行总重的急剧提升,重载钢轨面临的服役环境日益苛刻。针对这一问题,亟待选取目前国内重载铁路的主要轨材U78CrV钢,对其开展低周循环-疲劳失效的实验研究,探究U78CrV的循环特性、棘轮行为演化规律和疲劳寿命。通过实验结果,结合改进的Abdel-Karim-Ohno本构模型确定材料的各种力学参数,编写用户材料子程序UMAT并嵌入到ABAQUS中,并对材料循环实验的应力应变曲线和棘轮行为演化曲线进行模拟,进而验证本构模型的合理性。同时,选取已有的几类常见的疲劳失效模型,通过模型预测材料的疲劳寿命,并将预测结果和实验结果进行线性回归处理,从中选取出预测效果最好的疲劳失效模型。最后,建立了三维的钢轨模型,通过UMAT和Dload分别定义模型的材料属性和赫兹接触压力场,通过改变轴重和循环次数,讨论它们对钢轨的应力场、等效塑性应变和接触斑形状的影响,进而预测钢轨可能发生疲劳失效的危险位置,对重载铁路钢轨的安全服役和延寿提供了重要的参考。论文的主要工作总结如下:(1)对重载轨钢U78CrV开展了室温下的单拉实验、应变和应力控制下的循环实验。应变循环实验结果表明,U78CrV在初始的约100圈循环下表现出明显的循环软化特性,且软化程度随应变幅值的增大而增大;应力循环实验结果表明,材料的棘轮行为和平均应力、应力幅值、应力比和高应力幅加载历史均密切相关,在初始的循环下材料的棘轮应变随循环周次的增加而迅速累积,但棘轮应变率很快达到稳定,棘轮应变开始呈线性增长,直至试样发生断裂失效。加载工况对材料的疲劳寿命,在应变循环下,应变幅值的增大会缩短材料的疲劳寿命,而应力循环下,应力幅值的增大和高应力幅预加载周次的增加也会缩短材料的疲劳寿命,而应力比和平均应力对材料疲劳寿命的影响并不一致单调相关。(2)结合循环实验结果确定的力学参数,并通过UMAT用户子程序,将改进的Abdel-Karim-Ohno本构模型进行了ABAQUS有限元移植,从而对U78CrV的单拉和循环变形实验进行了模拟,通过模拟曲线和实验曲线的对比,验证了本构模型的合理性。(3)利用已有的几类疲劳失效模型,对U78CrV在不同工况下循环实验的疲劳寿命进行了预测,将预测结果和实验结果进行了线性回归处理,从而对模型的预测效果进行了系统的评估。结果表明,SWT参数法模型和Manson-Coffin模型的预测效果一般,不能很好地预测实验结果,而Morrow模型和能量法模型能够较好地预测材料的疲劳寿命。(4)建立了三维的钢轨模型,讨论了轴重和载荷循环次数等因素对75kg/m型钢轨的应力场、等效塑性应变和接触斑形状的影响。结果表明,在一定的摩擦系数和蠕滑率下,轴重的增大,以及载荷循环次数的增加,均会增加钢轨的等效应力和等效塑性应变,同时轴重的增大还会显著增大接触斑的面积;钢轨最大等效应力和等效塑性应变的位置均发生在钢轨的次表层,随着载荷循环次数的不断增加,最大等效塑性应变向下平移,且等效塑性应变随循环周次的增加,累积速率逐渐趋于稳定。通过对等效应力场和等效塑性应变随加载工况的变化规律的研究,可以对钢轨实际服役中疲劳裂纹的萌生位置和寿命进行合理的推断和预测。