车轴是机车车辆中转向架的关键承载部件,其性能直接危及机车车辆的运输安全。所以及早了解车轴性能退化状况具有重要意义。材料的微观结构直接影响其宏观力学性能,而材料的非线性又与材料微观结构密切相关,因此研究并建立材料非线性声学参数与微观结构演化之间的关系,并以此对材料结构的宏观力学性能退化进行相应的超声无损评价具有重要的应用价值。本文采用非线性超声测试技术以及金相观测的方法研究车轴钢试件在拉伸及疲劳荷载作用下,其超声非线性系数、微观结构与拉伸导致的塑性变形以及非线性系数、微观结构与疲劳循环次数之间的关系,以此进一步建立了超声非线性系数与晶粒尺寸之间的关系。在此基础上,本文还结合基于位错的理论模型进行了深入的分析讨论。此外,本文还进一步研究了在拉伸及疲劳载荷作用下,车轴钢试件的衰减系数与微观晶粒尺寸之间的关系。本文的研究结果表明：(1)拉伸载荷作用下,车轴钢试件近颈缩点处的相对非线性系数与晶粒尺寸均随塑性变形的增加而增大,且该相对非线性系数随晶粒尺寸的增加而增大。这表明非线性系数可以定性表征微观晶粒尺寸的变化情况。远颈缩点处的相对非线性系数与晶粒尺寸之间的变化关系与近颈缩点处的实验结果有所不同。(2)疲劳载荷作用下,车轴钢试件近颈缩点和远颈缩点处的相对非线性系数、晶粒尺寸均随疲劳加载次数的增加而增大,且该相对非线性系数随晶粒尺寸的增加而增大。同远颈缩点的实验结果相比,近颈缩点的相对非线性系数与晶粒尺寸之间的变化关系更为密切。(3)拉伸载荷作用下,车轴钢试件近颈缩点处的相对衰减系数与晶粒尺寸间存在较好的对应关系,但在远颈缩点处这种对应关系不明显。疲劳载荷作用下,近颈缩点处和远颈缩点的相对衰减系数对晶粒尺寸的评价均不够准确。(4)超声测试中,相对非线性系数随珠光体等圆半径四次方的增大而增加,这与基于位错理论模型的分析讨论结果符合,即在位错密度与应力保持不变的情况下,相对非线性系数与珠光体半径的四次方线性相关。上述结果表明,可以利用非线性系数对车轴钢的微观结构的演化进行评价。与衰减系数相比,非线性系数可以更好地对微观晶粒尺寸的变化进行表征,这为利用非线性声学参量无损评价材料由于损伤导致微观结构的演化提供了一定的研究基础。