车轮是铁路车辆关键部件之一。随着高速铁路的快速发展,我国在高速列车的研究和开发方面取得了很大进步。2016年已成功研发中国标准动车组,且动车组的大部分部件已实现国产化。但是,目前所有的动车组车轮依然依赖进口。铁路车轮是损耗件,高铁车轮的使用寿命约为3年,每片车轮的费用高达2万人民币。如果实现高铁车轮国产化,其使用费用将大幅下降。车轮损伤主要可分为:磨损、机械应力引起的滚动接触疲劳和热疲劳。考虑到钢轨波磨和车轮不圆度,轮轨接触力随着列车速度的增加而显著增加。这导致车轮发生源于次表面夹杂物接触疲劳的风险显著增加。此外,车轮踏面发生马氏体相变的可能性随着列车运行速度的增加而增加,这可能导致车轮发生热疲劳损伤。因此,有必要对高速铁路车轮钢磨损和滚动接触疲劳性能的改善方法进行研究。研究成果对我国高速列车的车轮材料开发和可靠性设计具有重要现实意义。受高速铁路基础研究联合基金(U1134202)、长江学者和创新团队发展计划(IRT1178)、2014年西南交通大学博士研究生创新基金和中央高校基本科研业务专项资金资助,本论文研究了一种改进型高速铁路车轮钢的磨损和接触疲劳性能,分析了组织和表面处理对车轮钢磨损和滚动接触疲劳性能的影响。同时,提出了车轮中夹杂物尺寸对车轮次表面疲劳和深层疲劳影响的定量评估方法。本论文的主要研究内容和获得的结论如下:(1)改进型HiSi车轮钢强韧匹配的研究究最近,科研人员在传统ER8车轮钢的基础上通过合金化设计,开发出一种改进型的HiSi车轮钢。本研究调查了 HiSi车轮钢在不同轮辋深度下组织和力学性能。与传统ER8车轮钢相比,HiSi车轮钢在提高强度的同时不降低冲击韧性。HiSi车轮钢通过固溶强化和细化珠光体片层距提高其强度,通过增加铁素体含量提高其冲击韧性。远离车轮表面材料的珠光体片层距较大,铁素体含量较高,因此材料的硬度较低;远离车轮表面材料的珠光体片层距和球团尺寸均较大,因此材料的冲击韧性较低。(2) HiSi车轮钢磨损和接触疲劳性能研究与ER8车轮钢相比,ER9车轮钢、HiSi车轮钢和0.07V车轮钢分别通过加碳、固溶强化和析出强化提高材料强度。本研究调查了不同强化机制对车轮钢抗磨损性能的影响。研究结果表明,加碳和固溶强化都能提高车轮钢的抗磨损性能,而析出强化导致车轮钢抗磨损性能下降。车轮钢的抗磨损性能由磨损面硬度决定,而磨损面硬度受材料基体硬度和应变硬化行为共同影响。按照提高基体硬度的程度对三种强化机制按从大到小进行排序,依次为固溶强化、加碳和析出强化。加碳可提高材料应变硬化程度,而固溶强化和析出强化均降低材料的应变硬化程度,其中析出强化车轮钢的应变硬化程度下降最明显。固溶强化和析出强化提高了车轮钢的先共析铁素体含量,降低了先共析铁素体的延展性,从而降低了磨损面的应变硬化程度。本研究还调查了 HiSi车轮钢的表面接触疲劳和热疲劳性能。通过在实验室条件下模拟车轮和钢轨的滑动过程,成功在车轮试样表面生成马氏体白层,然后从材料相变的角度对比分析了 HiSi和ER8车轮钢的抗白层形成能力。结果表明,HiSi车轮钢通过提高Si含量,提高了材料的相变点,从而改善了材料的抗白层形成能力。通过滚动接触疲劳试验和有限元分析,调查了含有白层和未含白层的HiSi和ER8车轮钢的抗接触疲劳性能。结果表明,马氏体白层显著降低车轮钢的抗接触疲劳性能。无论车轮钢的表面是否存在白层,HiSi车轮钢的抗接触疲劳性能均优于ER8车轮钢。(3)激光离散处理对车轮钢磨损和表面接触疲劳性能影响的研究本研究使用激光离散处理提高车轮钢的抗磨损和抗表面接触疲劳性能。激光离散处理可在材料表面加工出离散的硬化点,硬化点由细晶马氏体和残余奥氏体组成,其平均硬度为762 HV。本研究调查了激光离散处理后,车轮钢的抗磨损和抗表面接触疲劳性能。结果表明,激光处理区抑制了车轮试样表面的塑性变形,从而抑制了剥层磨损,延迟了滚动接触疲劳裂纹的萌生。激光离散处理后,车轮钢的抗磨损性能提高了3倍,抗疲劳性能提高了 2倍。(4)微观夹杂物对车轮次表面疲劳和深层疲劳的影响研究次表面疲劳和深层疲劳是铁路车轮最危险的两种损伤形式。这两种损伤均与车轮内部的最大夹杂物密切相关。因此,本研究提出一种评估车轮钢内部最大微观夹杂物的新方法,并分析微观夹杂物对车轮次表面疲劳和深层疲劳的影响。本研究通过在水冷条件下对预处理后的具有较大危险体积的试样进行超声疲劳试验,成功在断口上获取试样内部的最大夹杂物尺寸。分析表明,与传统镜检法相比,该方法速度快精度高。基于本研究提出的夹杂物评估方法和极值统计法,预测了车轮危险体积内的最大夹杂物尺寸。在此基础上,基于断裂力学理论分析夹杂物对车轮次表面疲劳和深层疲劳的定量影响。