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随着我国铁路事业的飞速发展,钢轨的疲劳损伤问题也越来越严重,为行车安全带来极大的隐患。因此,能够更加精准地预测钢轨疲劳裂纹的萌生寿命与萌生位置,也成为众多专家学者所追求的目标。在对钢轨疲劳裂纹进行研究时,通常会把钢轨当做均质材料处理,而事实上钢轨并不是均质的,轨头在经过热处理后,会形成一个帽型的热处理硬度梯度层;在钢轨服役一段时间后,也会在轨头处形成一个加工硬化硬度梯度层。为此,本文基于硬度-屈服强度换算关系理论,结合USDFLD二次开发等技术手段,实现了钢轨的非均质化处理,并在此基础上研究了钢轨的硬度梯度层对钢轨疲劳裂纹萌生以及轮轨硬度匹配的影响,具体研究如下:(1)基于硬度-屈服强度换算关系,利用最小二乘法,为车轮钢CL6O钢以及钢轨U78CrV拟合了硬度-屈服强度换算关系式,利用该硬度-屈服强度换算关系式并结合USDFLD二次开发技术,在钢轨中较为准确地模拟了钢轨的帽型热处理硬度梯度层以及加工硬化硬度梯度层。(2)以钢轨内部应力应变状态、钢轨表面接触应力、疲劳裂纹萌生寿命与萌生位置为指标,研究了钢轨的硬度梯度层对钢轨疲劳裂纹萌生的影响。结果表明,热处理硬度梯度与加工硬化硬度梯度钢轨主要对钢轨最大Mises应力、等效塑性应变以及钢轨疲劳裂纹萌生寿命影响较大。热处理硬度梯度会使钢轨内部的最大Mises应力变小,但由于轨头内部屈服强度小于均质轨,故等效塑性应变增大,裂纹萌生寿命减小;加工硬化硬度梯度会明显提升钢轨的最大Mises应力,但由于轨头内屈服强度大于均质轨,此时钢轨原有的受力水平并不能使钢轨屈服,故钢轨内部的等效塑性应变变为0,裂纹萌生寿命有较大增长。(3)从车轮和钢轨的疲劳裂纹萌生寿命与萌生位置的角度出发,研究了热处理硬度梯度对新轮新轨状态下轮轨最佳硬度匹配区的修正作用以及车轮、钢轨的加工硬化作用对轮轨硬度匹配的影响。结果表明:在新轮新轨状态下,热处理硬度梯度会使新轮新轨状态下轮轨最佳硬度匹配区减小约0.05;车轮与钢轨的加工硬化作用对轮轨硬度匹配影响很大。在新轮旧轨状态下,轮轨硬度比建议选择0.75~0.85为宜;在旧轮新轨状态下,轮轨硬度比建议选择1.00~1.12为宜;在旧轮旧轨状态下,轮轨硬度比建议选择0.76~0.86为宜。