制动盘是轨道车辆盘形制动系统中的重要元件,其在服役中存在摩擦面热斑、裂纹等问题,危害制动盘的服役安全。开展高铁制动盘服役损伤及其演化机制研究,对深入了解服役制动盘的损伤形式及演化规律、保障制动盘安全服役具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以我国高速列车轮装铸钢制动盘为研究对象,通过现场调研、试验研究和仿真分析,研究了制动盘微观组织演变规律、摩擦面裂纹起裂机制、盘体材料力学性能变化、盘体残余应力和变形以及裂纹扩展机制。论文主要研究内容如下:调研并分析了制动盘服役损伤特征,确定摩擦面热斑、裂纹和变形为主要的损伤形式;热斑区发生了微观组织演变,是裂纹起裂的高发区,螺栓孔附近热斑区内的裂纹长度明显大于摩擦面其它区域;制动盘的变形特点为外缘高于内缘的翘曲变形。研究和表征了制动盘摩擦面热斑区的局部粗细晶混合组织。结果表明:热斑区自表面至心部呈现出晶粒尺寸梯度化增大的特征;在摩擦热作用下,摩擦面表层局部超过相变温度,温度梯度和冷速差异导致非均匀“自淬火”,形成局部粗细晶混合组织;在摩擦剪切力作用下,摩擦面表层局部晶粒尺寸进一步细化至纳米级。采用数字图像相关法拉伸试验,研究了“热斑”导致制动盘材料产生不协调变形的机制;通过原位拉伸试验,分析了局部粗细晶混合组织对制动盘热斑区材料产生不协调变形和强度衰退的影响;基于电子背散射衍射晶界取向量化分析,揭示了粗晶区和细晶区晶界取向分布差异诱发盘体热斑区摩擦面裂纹的微观机制。测试了制动盘材料常温至高温拉伸力学性能,建立了材料的Ramberg-Osgood本构模型,分析了材料强度随温度升高而降低的变化规律;基于盘体摩擦面1 mm厚度区域内微观组织演变层、以及盘体摩擦面1 mm厚度以下材料强度梯度化升高的特征,推导出了盘体材料强度随摩擦面深度变化的函数关系,建立了受摩擦面深度和温度双参数影响的盘体材料强度梯度化分布的关系式。采用有限元模拟技术,分析了不同制动工况条件下的制动盘残余应力和翘曲变形变化规律,阐明了导致盘体翘曲变形的残余应力松弛与平衡的机制;基于盘体材料强度梯度化分布的关系式,采用USDFLD子程序建立了制动盘裂纹扩展有限元模型,分析了制动初速度和制动次数对摩擦面裂纹长度变化的影响,阐明了摩擦面表层材料强度衰退和螺栓孔周围高应力区共同作用下的盘体径向裂纹快速扩展机制,分析了材料剩余强度和制动初速度对螺栓孔处裂纹扩展的影响规律。