随着货车轴重的提高,在提升运载能力的同时,也使得重载铁路的损伤进一步加剧。良好的轮轨材料性能匹配对于延长钢轨和车轮的服役寿命至关重要。已有轮轨材料匹配研究主要从硬度的角度来优化钢轨的磨损性能,而对于轮轨塑性匹配的相关研究却少见报道。由于新一代高强钢轨的研发及应用,重载铁路钢轨的接触磨损得到有效抑制,但由于滚动接触疲劳诱发的伤损问题却日益突出。因此,本文对现役的四种钢轨材料的棘轮行为进行了实验对比研究,进而建立能够合理描述四种钢轨材料的循环塑性本构模型,编写ABAQUS用户材料子程序,通过重载轮轨滚动接触三维有限元分析,提出轮轨塑性匹配的最佳方案,研究结果对重载钢轨延寿具有重要意义。本文的主要工作总结如下:(1)为了对比研究四种现役钢轨材料热轧U71Mn、热处理U71Mn、热轧U75V和热处理U78Cr V的循环塑性行为,进行了初始循环周次棘轮应变相近及相同峰值应力下的非对称应力控制循环实验,结果表明:当初始棘轮应变相近时,棘轮应变的后续演化并不完全依赖于材料基本的屈服强度和抗拉强度,热处理钢轨材料棘轮应变率无论是初始值还是稳定值都高于热轧钢轨材料;从棘轮演化趋势上来看,四种钢轨的棘轮演化规律相似,即棘轮应变率开始较高,随后迅速下降至准安定状态;(2)在Abdel-Karim-Ohno随动硬化律中引入与累积塑性应变有关的棘轮参数,建立了改进的循环塑性模型,编写了用户材料子程序,给出合理的材料参数确定步骤,对四种钢轨材料的单轴拉伸和非对称应力循环实验进行了合理预测;(3)建立轮轨滚动接触三维有限元模型,开展钢轨滚动有限元分析。结果显示,接触应力峰值、等效应力随着轴重和材料屈服强度、抗拉强度的增加而增加,摩擦系数主要对切应变影响较为明显,车轮的塑性应变远大于钢轨塑性应变,且随着钢轨强度增加,车轮塑性应变增大而钢轨塑性应变减小,在相应的轴重下热轧U71Mn、热轧U75V和热处理U71Mn钢轨材料和ER7车轮材料都出现了渐进增加的棘轮应变,强度较高的热处理U78CrV在30 t轴重下发生塑性变形后,不再发生演化即达到塑性安定。(4)通过棘轮应变率与极限应变的内在关系,建立了疲劳裂纹萌生寿命预测方程,分析不同工况下轮轨材料的裂纹萌生寿命。结果显示,在25 t和30 t轴重下,与ER7车轮最佳匹配的钢轨顺序依次是热处理U78CrV、热轧U75V、热处理U71Mn和热轧U71Mn,27t轴重下依次是热处理U78CrV、热处理U71Mn、热轧U75V和热轧U71Mn。