高铁齿轮作为高速列车传动系统的关键部件,其性能的优劣性直接影响到列车的运行速度及行驶安全,随着现代高铁行业的迅速发展,高速列车的服役环境、运行速度和使用周期对高铁齿轮材料的性能提出了更高的要求。由于齿轮的受力特点,在实际服役过程中,最易发生齿面磨损和齿根断裂这两种失效现象,造成这些现象的主要原因是齿轮材料在高负载长周期作用下的疲劳行为。因此,对高铁齿轮材料的抗疲劳性能进行研究,对科学发现、经济发展、社会安定等具有重要意义。18CrNiMo7-6钢是一种表面硬化的合金结构钢,该钢具有高抗弯强度、高接触疲劳强度,高硬度和高耐磨性,心部具有高韧性,综合机械性能较高,常用于制作大型齿轮、齿圈锻件、锥齿轮、变速箱齿轮等传动件,是高速列车传动齿轮的常用材料。本文基于经典断裂力学,对18CrNiMo7-6齿轮钢的疲劳裂纹扩展和断裂韧度进行了试验,并利用红外热像仪和声发射信号检测仪对试验过程进行实时监测,对18CrNiMo7-6高铁齿轮钢的抗疲劳失效性能进行了探究。在疲劳裂纹扩展试验过程中,根据试验数据计算出反映裂纹扩展驱动力的特征参数应力强度因子ΔK,根据ΔK与裂纹扩展速率的关系,把疲劳裂纹扩展过程分为初始扩展、稳定扩展和失稳扩展三个阶段,并确定了裂纹扩展不同阶段对应的应力强度因子范围。同时利用红外热像仪和声发射信号分析仪监测试验过程,发现裂纹在初始和稳定扩展阶段释放的信号强度较小,失稳扩展时释放的信号强度大。利用温升速率和声发射计数率的变化特征同样对疲劳裂纹扩展过程进行阶段划分,发现与传统的Paris公式划分的区域有所差别,这两种方法能更加敏感的监测到裂纹扩展状态的变化。通过断裂韧度试验确定了齿轮钢的断裂韧度KIC=46.5 MPa·m1/2,而在齿轮钢单轴拉伸过程中,随着材料从弹性变形向塑性变形的转变,试样表面的温度变化值呈现下降-上升-下降的三个阶段,初始降温与热弹性效应有关,温升是由于材料塑性变形导致的能量释放造成的,最终下降阶段是载荷降低后产热减少导致的。而声信号的变化特征是先较少后增多,同时检测到了由于弹性变形和塑性变形产生的两种特征不同的声信号。齿轮钢失效过程中的红外和声信号的来源是材料裂纹尖端组织的塑性变形释放的能量,因此对裂纹尖端塑性区的尺寸和产热机理进行了理论分析和计算。利用红外热像仪记录的温度信号分析了裂纹扩展过程中尖端温度变化特征,并通过红外热像图区分了裂纹尖端的不同变形区域。最后对疲劳裂纹扩展过程中的微观组织变化进行了探究。在齿轮钢基体上分布着硬质的颗粒夹杂物,裂纹扩展路径上存在孔洞,而扫描图片上显示裂纹即存在沿晶扩展又存在穿晶扩展,结合两种现象,建立了齿轮钢疲劳裂纹扩展的模型。EBSD分析显示了材料在失效过程中不会发生相变,但是裂纹尖端的晶粒尺寸会降低,再结晶晶粒和变形晶粒的数量大大增加,随着裂纹扩展,塑性区尺寸增大,材料内部小角度晶界和位错密度都会增加,但施密特因子没有发生明显变化,说明晶粒的取向并不会随着大塑性变形的产生而发生改变。断口扫描显示齿轮钢材料的断裂机理由最初的解理断裂向韧性断裂发生转变。本文对18CrNiMo7-6齿轮钢的疲劳裂纹扩展性能做出评定,同时提出了利用红外和声发射两种无损检测方法协同表征材料疲劳断裂过程的敏感性与有效性。