车轴是高速动车组安全运行的重要承载部件,当车轴在实际运行过程中因外物击打而产生缺陷或萌生裂纹后,车轴的强度及使用寿命需要深入研究。本文以S38C梯度材质车轴为研究对象,针对轴表面硬化层与芯部基体组织之间呈梯度分布的结构特征及因热处理工艺导致表层具有较大残余压应力的特点,开展车轴材料的疲劳性能及裂纹扩展特性试验,并对含典型缺陷车轴疲劳寿命及车轴裂纹扩展行为进行了数值分析。为含缺陷车轴使用寿命的计算及检修周期的优化提供依据。主要研究内容如下:（1）在车轴轴身位置截取试样,沿径向进行材料显微硬度测试,在车轴近芯部位置选取试样,进行材料拉伸性能测试及光滑试样的旋转弯曲疲劳试验,获得材料的疲劳性能结果,将试验结果与车轴表层材料的性能进行比较,分析了S38C梯度材料不同深度层硬度、拉伸性能和疲劳性能的变化情况。（2）结合车轴缺陷形貌调研,建立包含不同尺寸的压坑形、菱形压坑以及半圆形缺陷的车轴有限元模型。依据动车组S38C车轴的实测动应力数据,外推全寿命周期应力谱,计算各形状尺寸缺陷处的疲劳缺口系数,根据疲劳缺口系数估算不同缺口下的车轴疲劳寿命曲线,并基于累积损伤理论计算了含缺陷车轴的剩余寿命。（3）在S38C车轴表面截取包含车轴表层材料的三点弯曲试样,开展裂纹扩展试验。得到了芯部试样的疲劳裂纹扩展深度与循环加载次数的关系。根据材料梯度特性拟合不同深度区间的Paris公式,将试验结果与车轴表层材料进行比较,分析了裂纹扩展速率在不同深度层的变化情况,为实物车轴的剩余寿命计算提供依据。（4）根据梯度结构特征分层划分有车轴限元模型,在轮座内侧圆弧位置处植入贝壳形裂纹,采用初始应力场法与单位压力和迭代逼近法相结合的手段在有限元模型中重现了高频淬火产生的表面残余压应力场分布情况。使用应力外推法计算裂纹前缘的应力强度因子。分析了表面残余压应力作用下裂纹尖端应力强度因子与深度的变化关系,并计算得到含不同深度裂纹的车轴剩余寿命。图62幅,表15个,参考文献68篇。