本文结合我国对轨道交通轮轨系统金属材料服役安全性要求的重大工程需求,以车轮钢和实际服役车轮为研究对象,采用理论与试验相结合的方法,开展了滚动接触载荷下铁路车轮超高周疲劳行为及剩余寿命评估方法的研究。在车轮钢疲劳性能研究方面(材料层面),开展了 ER8车轮钢的高周和超高周疲劳实验,车轮钢高周疲劳裂纹大部分都萌生于试样表面,也有部分试样裂纹萌生于内部夹杂物处,夹杂物尺寸较大,最大夹杂物可达200μm。针对车轮钢超高周疲劳断口的微观分析,裂纹萌生于试样内部夹杂物,观察到了典型的“鱼眼”特征,FGA(Fine Granular Area)形貌不是特别明显。因此车轮钢在高周和超高周疲劳中都会发生夹杂物引起的内部裂纹萌生,工程中需关注车轮实际服役过程中由于内部裂纹萌生而引起的失效。针对服役车轮的疲劳研究(部件层面),统计了近十年铁路车轮辋裂和剥离,结果表明辋裂和剥离通常是由内部(10-25 mm的深度处)和亚表面(距踏面小于10 mm的深度处)夹杂物引起的疲劳破坏,破坏里程在十万公里,甚至百万公里以上,对应的疲劳寿命在107-109,属于超高周疲劳。车轮的服役载荷以滚动接触载荷为主,在此载荷的作用下,车轮辋裂和剥离均表现为超高周疲劳行为,其断口均呈现夹杂物、鱼眼和裂纹扩展区域三种特征,这与单轴加载下车轮钢超高周疲劳断口类似,同时观察到了裂纹的三维形貌特征以及疲劳条带在扩展区均匀分布的现象,但未观察到FGA,这是滚动接触载荷下超高周疲劳的独特特征。车轮疲劳裂纹萌生位置微结构演化的研究表明,辋裂萌生位置有一层等轴纳米晶特征形态的铁素体组织,晶粒尺寸在20 nm左右,其周围为典型的珠光体形态的原始组织。经过超高周次的疲劳循环,微结构从原始的珠光体组织转变为铁素体纳米晶组织。单轴载荷下车轮钢萌生位置为原始珠光体组织,没有发现存在纳米晶组织。车轮辋裂和车轮钢超高周疲劳裂纹扩展位置微结构分析表明,在辋裂断口鱼眼位置和快速扩展位置也发现了大量的铁素体纳米晶,存在纳米晶层变软和碳元素的偏聚现象,成为薄弱区域,容易诱发裂纹的萌生。而在单轴载荷下车轮钢裂纹扩展位置并没有观察到纳米晶组织。微结构的差异是由于不同的疲劳载荷,车轮辋裂为滚动接触载荷,而车轮钢超高周疲劳为轴向载荷。有关车轮损伤容限和剩余寿命评估方法的研究(系统层面),采用ABAQUS软件分析了含夹杂物缺陷的轮轨接触应力分布,将轮轨接触应力引入FRANC3D软件进行裂纹扩展仿真。仿真结果与实际车轮辋裂结果较符合,证明了仿真计算的有效性,同时评估了夹杂物尺寸和位置对车轮疲劳寿命的影响。以裂纹扩展曲线仿真结果为基础,提出了车轮的滚动接触疲劳损伤容限分析和剩余寿命评估方法,在假设车轮中初始夹杂物半径为0.1 mm的情况下,评估的车轮寿命为428万公里,车轮在整个服役周期都可以安全运营;在假设车轮中初始夹杂物半径为0.3 mm的情况下,评估的车轮寿命为89万公里,车轮服役过程中可能会出现失效。