随着我国高速和重载铁路技术的飞速发展，对线路钢轨的超声无损检测技术提出了更高的要求。本文以我国主要干线使用的60kg/m钢轨为研究对象，研究超声导波在钢轨中的传播特性及在缺陷上的散射特性，并开展相应的线路钢轨超声导波检测研究。针对线路钢轨不同部位的伤损特点，本文将钢轨的踏面、轨头、轨腰、轨底作为专门的检测区域，研究了如下前沿性课题：(1)钢轨的超声导波传播特性及传播模式分析，钢轨轨头横向裂纹的超声导波检测；(2)钢轨轨底的超声导波传播特性及导波检测方法；(3)钢轨轨腰的超声导波传播特性及钢轨铝热焊焊缝的超声导波检测方法；(4)钢轨踏面的低频超声表面波传播特性及踏面滚动接触疲劳斜裂纹的表面波定量无损检测方法。　　 第一章回顾了国外有关钢轨的超声导波检测研究进展，并概述了本文的研究内容。　　 第二章简要介绍了各向同性固体中的弹性波传播基本理论，在参考现有各向同性弹性固体有限差分数值算法的基础上，对凹形和凸形界面的自由边界条件及完全匹配层(PML)吸收边界条件进行了分析，以建立高效的钢轨中长距离超声导波传播问题的三维数值模型。重点讨论了凹凸状的自由边界条件形式和处理方法。针对钢轨模型，对本文数值模拟设立的自由边界条件和吸收边界条件的有效性进行了验证。　　 第三章首先介绍了半解析有限元方法的基本原理，并采用此数值方法对60kg/m钢轨中的超声导波传播模式和频散曲线进行了求解和分析。在30～80kHz频率范围，以在钢轨轨头中激发导波的方式，将钢轨中的导波传播模式分为纵向、横向和垂直弯曲振动三种检测模式。选用Gabor小波基函数，采用连续小波变换时频联合分布方法对自由状态钢轨中的纵向、横向和垂直弯曲振动三种导波模式的传播特性进行了实验测量，得到了各模式的群速度-频率、线性衰减传播系数-频率曲线，并与半解析有限元方法所得的结果进行了对比和分析。由于实际线路钢轨中超声导波传播受弹扣、枕木、金属垫片、地基等影响，数值方法难以全面考虑这些因素，有效的实验测量方法是研究线路钢轨超声导波传播的重要手段。进一步完善了一种基于模态分析的钢轨导波传播特性实验测量方法，并进行了实验测量工作，丰富了线路钢轨超声导波传播特性的实验分析方法。通过导波传播模式特性分析，选择激发垂直弯曲振动模式超声导波对轨头的横向裂纹进行了检测。采用数值模拟和实验结合的方法对轨头横向裂纹的导波检测反射回波特性和模式转换波的能量分布特性进行了讨论。　　 第四章以钢轨轨底为专门研究对象，基于小波变换时频联合分布方法对钢轨轨底的导波传播特性进行了实验测量研究。基于板波理论和二维傅立叶变换方法，对轨底中的纵向、横向和垂直弯曲振动三种模式的导波传播特性和模式特征进行了分析和识别。分析结果表明，可将60kg/m钢轨轨底等效成厚度为14mm的平板模型，在轨底中传播的纵向模式与14mm平板模型中的SO基本模式对应、横向模式与SHO基本模式对应、垂直弯曲模式主要对应AO基本模式。探讨了激发频率、激发脉冲周数和传播距离对轨底导波传播特性的影响。从导波能量分布和波包传播特性上分析，确定了垂直弯曲振动模式导波是适合于检测轨底缺陷的导波模式。分析了运行线路中钢轨轨底典型的伤损和缺陷形式，将线路钢轨轨底的缺陷分成四类典型形式：轨底外侧边沿横向裂纹、轨底外侧边沿核伤、轨底内侧横向裂纹和轨底三角区裂纹。据此在轨底试样上加工各类人工模拟缺陷，采用垂直弯曲振动模式导波对轨底的各类缺陷进行了检测研究，得到了该模式导波在轨底横通孔、不同位置竖通孔和横向裂纹上的反射回波特性。　　 第五章主要探讨垂直弯曲振动模式导波在钢轨轨腰中的传播特性，基于板波理论和二维傅立叶变换方法，对轨腰中垂直振动模式导波的模式特征进行了识别和分析。若将60kg/m钢轨轨底等效成厚度为18mm的平板模型，垂直弯曲模式主要对应板中的AO基本模式。通过实验和数值分析得到了垂直振动模式导波在轨腰上的横通孔、竖孔和表面开口槽的反射回波特性，旨在为钢轨铝热焊接头轨腰区域的超声导波检测提供理论和方法依据。　　 第六章分析了提速线路钢轨踏面斜裂纹的产生和形态特征以及踏面斜裂纹低频超声表面波检测方法研究中存在的主要问题。采用压电晶片探头激发-激光干涉测量的实验方法研究了钢轨踏面的低频超声表面波传播特性，对钢轨踏面的表面波的导波传播特征与传播模式进行了分析。采用数值方法，模拟了低频超声表面波在钢轨踏面的传播过程，并与平界面上的Rayleigh表面波的传播进行了比较。研究了8晶片阵列探头模型在钢轨踏面激发的低频超声表面波传播特性，给出了传播的波场快照，为阵列低频超声表面波探头的设计提供理论和方法基础。采用数值和实验方法分析了低频超声表面波在表面开口裂纹上的散射特性，对裂纹近场的信号增强效应进行了讨论。设计和加工了表面边沿开口斜裂纹标定试样和钢轨试样。采用低频超声表面波脉冲反射回波法对试样的斜裂纹进行了快速B成像检测。从踏面斜裂纹低频超声表面波定量检测出发，建立了表面开口斜裂纹模型，研究表面波反射波幅度、透射波幅度和透射波频谱特性与裂纹深度和角度的关系。应用表面波透射频谱法对斜裂纹进行了定量检测研究。　　 第七章为全文的总结并提出了进一步研究的问题。　　 本文的研究工作对钢轨的超声导波传播特性的认识具有重要的意义，为线路钢轨的超声导波检测提供了一定的理论依据和方法基础。