随着列车轴重和运营速度的不断增加,钢轨磨耗速率过快成为影响铁路钢轨使用寿命的关键因素。铁路钢轨层流等离子选区淬火是一种表面硬化技术,能显著提高钢轨表面的耐疲劳耐磨耗性能,延长钢轨的使用寿命。开展铁路钢轨层流等离子淬火机理分析,可以加深对淬火过程的理解,为工艺过程优化提供理论指导。首先基于流体力学控制方程,利用有限元方法计算了高温等离子体冲击钢轨时流体非等温流动的空间数值解;然后基于传热控制方程和流-固-热耦合作用机理计算了淬火过程中钢轨热影响区的热量分布和温度耗散。与此同时,建立非等温相变动力学模型分析了淬火过程中钢轨热影响区奥氏体、马氏体等金相组织含量动态转变过程,并且考虑了金属相变潜热与热影响区温度分布的双向耦合作用关系。再然后,通过计算钢轨热影响区弹塑性应变、温度应变以及相变应变,分析了钢轨淬火区残余应力分布范围及应力梯度幅值,并且通过力学性能测试验证了模型正确性。最后,利用上述层流等离子选区淬火理论模型,控制热等离子射流输入参数进行淬火工艺影响因素分析,揭示了热等离子射流对淬火区硬化层空间分布及残余应力的影响规律。通过上述分析,本文主要得到了如下几点结论:高温等离子体冲击钢轨时流场呈对称分布,通过对模型对称简化可以大幅度提高模型计算效率;热等离子体冲击中心存在一个高压滞流底层,此范围内流速较低压力较高,分布范围与硬化层尺寸基本一致;流场空间存在较大流速梯度,层流等离子冲击钢轨几乎不会对超出轨头外的区域产生扰动,最大扰动范围约为25 mm。层流等离子束热量大致呈高斯分布,忽略等离子射流冲压作用的条件下可以将层流等离子热源简化为高斯热源;淬火区域在升温时主要生成奥氏体,降温时主要生成马氏体,硬化层在钢轨表面大致呈半椭球分布,分布范围与层流等离子射流参数密切相关。淬火前10 s钢轨热影响区承受剧烈的交变应力,100 s后应力水平基本稳定;淬火区域的残余应力最大约为570 MPa,淬火中心残余应力最大向周围逐渐递减。