伴随着我国高速、重载铁路的迅猛发展,轮轨的磨损失效、疲劳损伤等问题更加突出,缩短了轮轨材料的服役寿命,已严重影响到铁路运输的安全。分析轮轨失效机理,提高轮轨材料综合性能,延长轮轨服役寿命,是目前铁路行业急需研究和解决的关键性科学技术问题。本课题将实际服役轮轨与实验室轮轨材料试验相结合,利用扫描电镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等分析方法,研究了几种常用轮轨材料和贝氏体轮轨材料在不同磨损条件下的微观组织结构与性能演变,以及多边形磨损的形成机制及其对磨损过程的影响机理,对比分析了不同轮轨材料在磨损过程中摩擦学白层、相变白层的形成过程和演变机理。在高速和重载服役条件下,轮轨踏面表层组织以剧烈塑性变形珠光体组织为主;轮缘/轨侧滑差率较大,表层组织应变程度更高,更易形成摩擦学白层,甚至形成相变白层。摩擦学白层内的组织主要是纳米级的铁素体小晶粒和细小的渗碳体颗粒,相变白层内的组织主要是孪晶马氏体以及少量残余奥氏体和未溶解的细小渗碳体。相变白层疲劳剥离过程主要分为三个阶段。相变白层强度高不易发生塑性变形,磨损时首先在相变白层与基体珠光体交界的楔形尖角处以及白层表面应力集中区萌生裂纹,然后在白层与基体交界面处的裂纹沿着交界面向深处扩展,同时,白层表面裂纹也向白层内部深处扩展,最后表面萌生和扩展的裂纹与从表面白层交界处萌生和扩展的裂纹发生交汇,导致白层局部出现深层剥落。双盘滚动磨损试验过程中出现的多边形磨损,依据表面形貌和尺寸变化可分为宏观磨损形貌发生周期性变化而峰谷高度差很小的潜伏期、局部发生多边形磨损（峰谷高度差数微米至数十微米）的发展期和整个圆周发生多边形磨损（峰谷高度差数十微米）的成熟期三个阶段。不同轮轨材料在双盘滚动磨损过程中形成多边形磨损符合机械振动与试样磨损耦合作用的理论,材料耐磨性能及磨损表面状态决定试样不均匀磨损程度,影响多边形磨损的形成与发展。波谷区域由于存在振动附加载荷和更大的滑差率,使其磨损方式由氧化磨损为主转变为以疲劳磨损为主,从而比波峰区域具有更高的表面硬度和硬化层深度,微观组织也表现为更深的变形层深度和更大的晶粒细化程度。不同形态铁素体组织在滑动磨损过程中超细晶粒的形成过程不同,并受到第二相的影响。随着切应变的不断增大,通过位错的增殖与运动,数十微米直径颗粒状铁素体晶粒将经历塑性变形、数微米直径铁素体晶粒和亚晶形成、亚微米厚度片层状组织形成、亚微米直径板条状组织形成、板条状铁素体被亚晶分割、短棒状细晶粒形成等过程,最后再经历更小尺寸的条状铁素体形成和亚晶分割、细晶形成后续过程,直到数十纳米等轴晶粒形成的稳定状态。共析片状铁素体和贝氏体板条状铁素体组织分别直接发生与上述过程对应的片层状和板条状阶段及其后续的细化过程,并且由于受到渗碳体和残余奥氏体转变成的马氏体影响,最终得到的铁素体晶粒更细小。成分相近的贝氏体轮轨钢滑动磨损结果与分析表明,贝氏体的耐磨性主要取决于其硬化能力,高的残余奥氏体含量有助于协调表层的塑性变形使表层变形量更大,晶粒更细,以及奥氏体在变形过程中因发生马氏体相变而形成更多的马氏体,两个作用均使表层硬度提高,从而提高耐磨性。