钢轨作为重要的列车运行构件,既起着支承作用,又起着导向列车的作用。在经过长时间的运营之后,轨道的承载能力呈现不断降低的趋势。在国内、国外都出现了许多严重的钢轨损伤事故。一方面,钢轨的疲劳损伤在各类损伤类型当中是最具危险性的损伤,最严重时会造成车毁人亡的重大事故。疲劳受到各种因素的综合影响,其中振动疲劳问题因理论和试验条件的复杂性,开展的研究工作还较少。但近年来随着列车朝着高速、重载方向快速发展,由振动而诱发的疲劳问题日益凸显,列车的振动疲劳问题已经无法被忽视。另一方面,随着我国铁路事业的快速发展,截止至2018年年末,全国铁路营业里程达13.1万公里以上,全国铁路路网密度为136.9公里/万平方公里。保证这些既有线路的安全运行,振动疲劳问题是无法忽视的关键因素。因此,开展钢轨的振动疲劳问题研究具有重要的理论和实际意义。本文利用振动试验台,进行了钢轨振动疲劳模拟试验,同时使用扫描电子显微镜开展了微观形貌研究。主要的工作是观测微观损伤形貌,对内部微观组织、表面形貌、断口特征开展观察分析。从宏观力学模型的角度和微观金属组织结构的角度对钢轨振动疲劳的影响因素以及形成机理两个方面进行细致的试验研究和探讨。最后,以试验数据为基础,辅之试样断口的微观形貌分析,探究了铁路钢轨疲劳破坏的振动与疲劳的耦合机制。本文所获得的主要成果和研究结论有:1.频率、负载、结构的几何特征是影响振动疲劳损伤的主要因素,通过利用极差分析发现:负载对于振动疲劳破坏的影响程度是最大的,而结构的几何特征影响则比较小。对于每种影响因素而言:(1)随着频率的增加,当激振频率接近试验结构的固有频率附近时,试样会突然快速破坏。(2)随着负载的增大,振动疲劳损伤也会逐渐增加。(3)试样对于结构的几何特征改变并不敏感,振动疲劳损伤不会因小幅度的几何特征改变而改变。2.U71Mn和U75V钢轨材料在不同的激振频率下表现出了不同的抗疲劳断裂能力。在激振频率较低时,U71Mn的断裂韧性较好,而激振频率较高时,U75V钢轨则体现出了较好的断裂韧性。在振动状态下,疲劳裂纹在U71Mn、U75V钢轨中的扩展速率低于在常规拉拉疲劳试验当中获得的裂纹扩展速率结果。在疲劳裂纹萌生后的初始扩展阶段二者速率相差不大,但随着应力强度因子变化幅度的不断增加,二者的裂纹扩展速率差距变得越来越大。3.振动环境当中,U71Mn和U75V钢轨较之常规的拉-拉疲劳试验相比,表现出更高韧性,不容易断裂。在不同的振动激励条件下,疲劳裂纹则体现出了不同的扩展机制:激励负载较高时,低周疲劳损伤机制占据主导地位;激励负载较低时,高周疲劳损伤机制占据主导地位;激励负载水平一般时,疲劳损伤机制呈现出高低周复合疲劳的特点。同时,疲劳裂纹在扩展过程中出现了裂纹面接触摩擦现象。4.固有频率对于U71Mn、U75V钢轨的振动疲劳损伤具有显著的影响作用。各阶固有频率随着裂纹相对深度的不断增加会出现快速减小的现象;各阶固有频率随着裂纹相对深度的不断增加,会越加严重地受到其影响。并且随着裂纹与固定端的不断靠近,裂纹深度对一阶固有频率的影响越大。裂纹的深度越深,裂纹位置对固有频率的影响越大。但是,随着裂纹位置向着激振位置的靠近,裂纹相对位置和裂纹相对深度的影响越来越弱,直至最后影响消失。5.摩擦阻尼损耗因子的大小标志着在疲劳裂纹扩展过程中因裂纹面接触摩擦而耗散能力的多少。一方面疲劳裂纹越靠近试样支臂固定端,摩擦阻尼损耗因子受到的影响越大,另一方面摩擦阻尼损耗因子沿扩展方向上随疲劳裂纹长度积分的增加,试样的疲劳寿命也随之增加。