随着我国轨道交通的不断发展,作为主要运行系统的轮轨系统直接影响到乘客的生命和财产安全,因此对提升轮轨系统的耐磨能力和疲劳寿命的研究仍是关键问题。本课题对D2车轮钢进行表面超声滚压加工,通过正交优化试验得出最优的加工参数,对比加工前后两种试样表层组织及表面形貌的影响;使用GPM-30双盘摩擦磨损试验机对两种试样进行摩擦磨损试验和滚动接触疲劳试验,弄清了表面超声滚压技术对D2车轮钢力学性能影响的规律。结果表明:影响D2车轮钢表面粗糙度、表面硬度、周向残余应力、轴向残余应力的主要参量分别是进给量、静压力、主轴转速、静压力。表面超声滚压技术会降低D2车轮钢的表面粗糙度,提高表层硬度和表面残余应力,且使试样表层晶粒细化,形成一个硬度较高的细晶层。获得优异组织和性能的最佳表面超声滚压工艺参数为静压力0.4MPa、进给量0.05mm/r、主轴转速为70r/min。表面超声滚压技术会延缓车轮多边化现象的出现。在出现多边化现象前,对初期磨损和3×10~5r磨损试样进行观察,超声滚压试样的磨损量和摩擦系数始终略低于原始试样,出现多边化现象后两种试样逐渐趋于同等水平。两种试样的磨损机制均是粘着磨损和氧化磨损,当出现多边化后引入磨粒磨损,所以表面超声滚压技术不会改变D2车轮钢的磨损机制。在3×10~5r周次磨损过程后,超声滚压试样的塑性变形层约为26μm,原始试样约为20μm,更厚的变形层拥有更深的有效硬化层深度和更好的抗振动能力,延缓了多边化现象的出现。正确选择工艺参数进行的超声滚压会通过提升表层硬度和应力,降低表面粗糙度等优点来提升D2车轮钢的疲劳寿命,最高提升可达原始试样的2.3倍。过大的静压力参数会在试样表面产生微裂纹,降低疲劳寿命。原始试样和超声滚压试样的疲劳过程均是经历微损伤、裂纹萌生、裂纹扩展和剥落4个过程。超声滚压试样的浅层裂纹萌生于细晶层表面,并在细晶层内扩展;无论是否进行超声滚压加工,疲劳裂纹扩展机制均相同,扩展方向与运行方向呈30°～45°角,并沿着先共析铁素体或珠光体和先共析铁素体的界面扩展。