钢轨作为支撑铁路运输的重要部分,其安全性及稳定性对整个铁路运输有着极大的影响。随着我国铁路运输不断向高速化、重载化发展,钢轨不可避免的会在使用中产生各种损伤;同时长期的负载作用,会让损伤加剧恶化,最终造成钢轨断裂失效进而影响行车安全。因此为确保铁路运输的稳定性及安全性,对服役中的钢轨进行损伤检测是十分必要的。目前对钢轨损伤的检测多应用于传统的线性超声技术,但该技术只能检测宏观缺陷,对微小缺陷并不灵敏。而非线性超声检测技术能够突破传统的线性超声技术的限制,对材料的性能退化以及早期损伤的辨识具有独特的优势。因此,本文基于非线性超声检测技术开展对钢轨损伤行为的研究,具体内容如下:本文依据非线性超声理论推出一维条件下固体介质中的非线性波动方程,从理论上对单一频率激励下二阶非线性系数与基波幅值、二次谐波幅值的函数关系进行了分析。建立二维有限元仿真模型,研究超声波的传播过程及与微缺陷作用产生非线性效应的机理。为进一步研究不同程度损伤与非线性系数之间的关系,设计并建立非线性超声检测系统,对不同缺陷深度的钢轨材料开展非线性超声检测研究,分析不同缺陷深度下非线性系数的变化规律。最后建立高速轮轨黏着损伤实验,应用非线性系数表征U71Mn钢轨材料的疲劳损伤形成过程并研究其作用机理。经分析表明:黏着状态下的钢轨会长期受到压力载荷的影响,这会促使应力集中区域出现损伤情况形成微裂纹,并逐渐扩展最终导致材料断裂失效。非线性系数可以有效表征钢轨损伤形成的三个阶段,超声波在每个阶段作用产生的非线性响应效果不同,且在微裂纹稳定扩展阶段,相对非线性系数上升最为明显,非线性响应强烈,实验结果验证了非线性超声检测技术对钢轨早期损伤进行检测辨识的有效性。