制动盘是轨道车辆的重要基础制动元件,在反复制动过程中,制动盘摩擦面会形成热斑和热疲劳裂纹,表面热疲劳裂纹不断扩展会导致制动盘最终失效。开展制动盘表面热斑特征及疲劳裂纹萌生和扩展机制研究,对深入了解制动盘疲劳失效行为、确保轨道车辆运行安全、提高运营效益具有重要理论意义和工程价值。本文以我国高速列车钢质制动盘为研究对象,采用理论与试验相结合的方法,对制动盘服役过程中的热斑、热疲劳裂纹等表面特征开展试验研究,深入分析了制动盘材料低循环疲劳特性和疲劳断裂机理,基于有限元模拟技术研究了不同制动工况下摩擦面应力应变响应特征,阐明了疲劳裂纹的形成和扩展机制,评估了制动盘裂纹的形成和扩展寿命。本文主要研究内容包括：在分析制动盘表面温度场、热斑表面氧化膜形成和破坏过程的基础上,通过对失效制动盘的解剖和显微组织观察,分析了热斑区域材料的组织转变过程,阐述了因摩擦使制动盘表面产生局部过热、氧化甚至发生材料组织转变的热斑形成机制。开发了裂纹图像识别算法,分别对制动盘经历1000次不同制动能量的1：1动力制动试验和经历一年运行的表面裂纹长度和数量进行统计,揭示了摩擦表面裂纹在不同工况下的扩展规律。研究发现,频繁和高能量的制动会促进摩擦面的氧化和龟裂纹的萌生；较低能量的制动则使表面裂纹平稳、缓慢扩展。制动盘疲劳裂纹为半椭圆表面裂纹,裂纹扩展形式包括单个裂纹扩展和多条裂纹合并。研究了制动盘材料不同温度下的单调和循环拉伸特性,建立了材料的热弹塑性本构关系、循环应力应变关系和应变寿命关系,通过对材料的组织转变、裂纹扩展方式和断口形貌分析,阐明了材料在不同温度和加载条件下的失效机制。对制动盘材料进行了热模拟试验,研究了热斑区域材料的相变膨胀和组织转变规律,建立了考虑相变膨胀过程的制动热应力模拟方法。研究发现,制动盘和闸片的接触状态对制动盘残余应力分布有重要影响,闸片偏磨和热斑的出现会大幅提高制动后的残余拉应力水平,表层材料组织转变形成的高应力区会诱发表面裂纹和埋藏裂纹的萌生和扩展。采用线性累积损伤法则和局部应力应变法评估了制动盘疲劳裂纹形成寿命；利用小范围屈服修正的线弹性断裂力学方法建立了裂纹应力强度因子和扩展速率的关系,并评估了制动盘裂纹扩展寿命。研究发现,闸片偏磨和制动盘表面热斑的形成会缩短摩擦面疲劳裂纹形成和扩展寿命。