（工程力学专业论文）结构钢超高周疲劳性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 传统疲劳设计理念认为，载荷循环周次在1 0 7 以上的结构构件具有无限疲劳 寿命，通常以1 0 7 循环周次所对应的疲劳试验数据做为强度设计依据。但是随着 机械设备向高速大型化发展，许多机械和工程结构，如高速铁路的机车车辆结构 及零部件，核电站散热器管道，发动机零部件等在承受1 0 乙1 0 1 0 周次的应力循环 载荷后的超高周阶段，仍然发生疲劳破坏。传统的疲劳设计规范和寿命预铡方法 已经不能满足超高周区域机械设备的使用要求，所以有必要对常用的结构钢种进 行超商周疲劳试验，得到超高周疲劳数据，对现有设旌以及以后待建项目的疲劳 强度设计、安全评估及寿命预测都有非常重要的工程意义。 本文以1 6 m n 结构钢，3 0 4 不锈钢，4 2 c r m o 钢为研究对象，用超高周疲劳 试验方法，进行了1 0 4 1 0 1 0 寿命范围内的超高周疲劳行为的研究。通过超高周疲 劳试验得到三种材料在试验下的s n 曲线，分析了s - n 曲线的特征，用扫描电 子显微分析方法( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 研究了三种结构钢的疲劳断裂 行为和疲劳断裂机理，分析了裂纹萌生和裂纹扩展机制。研究发现，三种结构钢 s n 曲线均具有阶梯型下降特征，不存在传统意义上的疲劳极限，1 6 m n 结构钢 在l o 循环周次以下高周疲劳阶段和1 0 7 循环周次以上超高周疲劳阶段，疲劳裂 纹源均在试样表面萌生。而3 0 4 不锈钢，4 2 c r m o 钢在1 0 7 循环周次以下高周疲 劳阶段，疲劳裂纹从试样表面萌生，1 0 7 循环周次以上超高周疲劳阶段疲劳裂纹 多在试样次表面缺陷处萌生。1 6 m n 结构钢和4 2 c r m o 钢疲劳裂纹的扩展机制对 高周和超高周疲劳而言没有本质的区别。而3 0 4 不锈钢第一扩展区形貌与传统定 义的第一扩展形貌有着明显的不同，进而定义了3 0 4 不锈钢超高周疲劳的第一扩 展区。 研究了加载频率对1 6 m n 结构钢的疲劳性能的影响，发现1 6 m n 结构钢内部 组织结构存在塑性很差的渗碳体是导致超高周疲劳性能降低的主要原因。 通过扫描电子显微分析方法( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 和x 衍射分析 ( x - r a yd i f f r a c t o m e t e r ) 发现在3 0 4 不锈钢的超高周试验中存在裂尖应变诱发马 氏体相交，分析了产生相变的原因。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 推导了3 0 4 不锈钢管道流固耦合方程，并对管道使用寿命进行了预测。为管 道疲劳设计提供一种可行的方法。 通过比较分析4 0 c r 钢，4 2 c t m 0 4 钢的超高周疲劳s n 曲线，发现合金元素 m o 提高了材料超高用疲劳性能。并结合m o 在合金化中的作甩，分析提高材料 超高周疲劳性能的微观机理。 从微观角度分析本文三种结构钢没有出现典型内部萌生机制的原因。 关键词：超高周疲劳，疲劳s - - n 曲线，裂纹萌生机制，电子显微分析方法， 马氏体相变，流围耦合方程 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t c o n v e n t i o n a lf a t i g u ed e s i g np o i n tc o n s i d e r st h a ts t r u c t u r ec o m p o n e n t sh a v e b o u n d l e s sf a t i g u el i f e - s p a na b o v e1 0 7l o a d i n gc i r c u l a t i o nc y c l e ，c o r r e s p o n d i n gd e s i g n o ff a t i g u es t r e n g t hb a s e do nt h ef a t i g u ed a t u mo f1 0 7c y c l e s 。b u tw i t ht h eh i g h - s p e e d a n dl a r g e s c a l ed e v e l o p m e n to fm o d e mm e c h a n i s mi nr e c e n ty e a r s , m a n gm e c h a n i s m a n de n g i n e e r i n gs t r u c t u r es u c ha sr o l l i n gs t o c ks t r u c t u r ea n dc o m p o n e n ta n dp a r ti n h i g hs p e e dr a i l w a y ，n u c l e a rp o w c rs t a t i o nr a d i a t o rp i p e l i n e ，a n de n g i n ec o m p o n e n t a n dp a r ta n ds oo hc a nt a k ep l a c ef a t i g u ef a i l u r ei nu l t r a - l o n gl i f er e g i m ee x c e e d i n g 1 0 7 1 0 1 0c y c l e s 。s oc o n v e n t i o n a lf a t i g u ed e s i g ns t a n d a r da n dl i f ep r e d i c t i o nm e t h o d a l r e a d yd o n tm e e tt h ea c t i v i 哆a c q u i r eo fm e c h a n i s me q u i m e n ti nu l t r a l o n gl i f e r e g i m e s oi ti sn e c e s s a r yt h a tt e s t i n gs o m es t r u c t u r a ls t e e li nc o m m o nu s eb yu s i n g u l t r a s o n i cf a t i g u et e s t ，a n dg a i nt h ed a t ao fu l t r a s o n i cf a t i g u et e s t i th a sv e r y i m p o r t a n tp r o i e c tm e a n i n gf o rf a t i z u es u e n g t hd e s i g n i n ga n ds a f e t ya p p r a i s ea n d l i f e s p a nf o r e c a s t f a t i g u eb e h a v i o ri nu l t r a - l o n gl i f er e g i m e ( a b o u tl o l l 0 1 0c y c l e s lo f1 6m n s t r u c t u r a ls t e e l ，3 0 4s t a i n l e s ss t e e i ，4 2c r m os t e e li ss t u d i e db yu s i n gu l t r a s o n i c f a t i g u et e s t g a i n i n gt h r e ef a t i g u es - nc u r v e so ft h et h r e em a t e r i a l si nt e s t i n gb y u l t r a s o n i cf a t i g u et e s t ，a n da n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h r e ef a t i g u es - nc u r v e s 。 t h ef 1 a c t u l es u r f a c e sa l ea n a l y z e du s i n gt h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n d s t u d yt h ef a t i g u eb e h a v i o ra n df r a c t l r cm e c h a n i s mo ft h et h r e es t r u c t u r es t e e l s a n a l y z i n gc r a c ki n i t i a t i o nm e c h a n i s ma n dc r a c kp r o p a g a t i o nm e c h a n i s m t h er e s u l to f t h ec x p e r i n l e n ti n d i c a t e dt h ec u r v e so ft h et h r e es t r u c t u r es t e e l sa r et h es t e p w i s e s h a p e ，a n dn oe x i tt r a d i t i o ns i g n i f i c a n c ef a t i g u el i m i t a l lo f t h ef a t i g u ec r a c ki n i t i a t e d f r o mt h es u r f a e eo fs p e c i m e ni n1 6m ns t r u c t u r a ls t e e l ，b u tf a t i g u ec r a c ki n i t i a t e d f w mt h es u r f a c eo fs p e c i m e nb e l o w1 0 7c i r c u l a t i o nc y c l ea n df a t i g u ec r a c ki n i t i a t e d f r o mt h ef l a w so fs e c o n ds u r f a c ea b o v e1 0 7c i r c u l a t i o nc y c l ei n3 0 4s t a i n l e s ss t e e la n d 4 2c r m os t e e l 。t h ec r a c kp r o p a g a t i o nm e c h a n i s mi sc o n s i s t e n tf r o mh i g h - c y c l e f a t i g u er e g i m e st ou l t r a l o n gl i f er e g i m ei n1 6m ns 缸u c t i i r a ls t e e la n d4 2c r m o s t e e l t h ef i r s tp r o p a g a t i o nr e g i m es h a p ei so b v i o u sd i v e r s i t yt ot r a d i t i o nd e f i n i t i o n o fs h a p ei n3 0 4s t a i n l e s ss t e e l t h e nd e f m i t i n gt h ef i r s tp r o p a g a t i o nr e g i m eo fi t 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 、f 页 c o m p a r i s o no fu l t r a s o n i cf a t i g u ep r o p e r t i e sw i t hc o n v e n t i o n a lf a t i g u ep r o p e r t i e s o f1 6m as t r n c i r t 溘 s t e e ls h o w e dt h a tt h eu l t r a s o n i cl o a d i n gf r e q u e n c ye f f e c to n f a t i g u ep r o p e r t yo f1 6m ns t r u c t u r a ls t e e l ，。d i s c o v e r i n gt h e r ei se x i s t i n gav e r yb a d p l a s t i c i t yo fc e m e n f i t ei nf r a m e w o r ko fo r g a n i z a t i o ni nt h ei n s i d e so f1 6m n s t r u c t u r a l s t e e li st ol e a dt ot h em a i nc a u s er e d u c i n gu l t r a s o n i cf a t i g u ep r o p e r t y u s i n gt h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n dx - r a yd i f f r a c t o m e t e t d i s c o v e rt h ea u s t e n i t e - m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o no c c m si nc r a c kp o i n t e de n do f3 0 4 s t a i n l e s ss t e e l d u r i n g t h e u l t r a s o n i c f a t i g u e t e s ta n d a n a l y s e c a u s co f a u s t e n i t e - m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n ，、 t h ee q u a t i o no ft h es o l i d - h q u i dc o u p l i n gv i b r a t i o no fp i p ec o n v e y i n gf l u i di s d e d u c e d ，a n dl i f et i m eh a sc a r r i e do u ta f o r e c a s to nt h ep i p e l i n e 。p r o v i d e so n ek i n d o ff e a s i b l em e t h o dt ot h ep i p e l i n ef a t i g u ed e s i g n 。 b ya n a l y s i n g4 0c rs t e e lo o m p a r a t i v e l y , 4 2c r m 0 4 s t e e l su l t r a s o n i cf a t i g u et c s t s - no t n v c s ，d i s c o v e ra l l o y i n ge l e m e n tm oh a v i n gr a i s e dm a t e r i a ls u r p a s s i n gt h e u l t r a s o n i cf a t i g u ep r o p e r t y e f f e c ti nb e m gd e l t a m a x - r i z a t i o nc o m b i n i n gw i t hm o a n d , a n a l y s e st h e m i c r o c o s m i cm e c h a n i s mr a i s i n gm a t e r i a lu l n , a s o n i cf a t i g u e p r o p e r t y m i c r o s c o p i ca n a l y s i so ft h i sf r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h r e es t r u c t u r a ls t e e ln o t t y p i c a lf o ri n t e r n a li n i t i a t i o nm e c h a a d s m k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cf a t i g u e ，f a t i g u es 州c l r v e ，c ( a c ki n i t i a t i o nm e c h a n i s m , s c a n n i n gd e a r o nm i c r o s c o p y , a n s t e n i t e - m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n , e q u a t i o no f t h es o t i d - f i q u i dc o u p l i n g ” 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 “疲劳( f a t i g u e ) ”这个词起源于拉丁文的 f a t i g i r e 一词，意思是“疲倦”。原 来通常指人们的身心疲惫，后来广泛得运用于工程术语中，用于表示工程构件在 循环载荷的作用下，发生的一种破坏和损伤形式，日内瓦的国际标准化组织( i s o ) 在1 9 6 4 年发表的报告“金属疲劳试验的一般原理”中给疲劳下了一个描述性的定 义，“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳”。 现代工程中很多机件和构件都是在循环变动的载荷下工作的，如曲轴、连 杆、齿轮、弹簧、叶片、铁路桥梁、核反应堆及发电设备等，其失效形式主要是 疲劳断裂。据统计，各种运动构件的破坏9 0 是由疲劳引起的，而且造成疲劳失 效的循环载荷峰值往往小于根据静态断裂分析估算出来的安全载荷i 疲劳断裂通 常是突然发生，而且无论脆性或者韧性材料，都不会发生明显的宏观塑性变形， 因此往往导致灾难性的后果。1 8 2 9 年德国矿业工程师a l b e r t 对矿山升降机链条 进行反复加载实验，1 8 3 9 年法国巴黎大学教授p o n c e l e t 首次把疲劳和材料失效 联系起来，材料疲劳的研究已有一百多年的历史。材料疲劳也已成为- - f l 重要的 学科，深入到现代科学技术的各个领域，涉及材料科学、机械设计、力学、应用 数学等众多学科。随着现代机械的高速和大型化发展趋势，许多构件都在一些极 端恶劣的条件下进行工作，比如高温，重载，腐蚀等。由于构件发生疲劳失效而 导致的破坏比比皆是，所以，研究机械构件的疲劳强度和疲劳寿命的设计的安全 性和可行性尤为重要。 1 1 疲劳分类 疲劳可以按不同的方法进行分类：按照应力状态不同，可分为弯曲疲劳、扭 转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳；按环境和接触条件不同，可分为大气疲劳、腐蚀 疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳等，按应力循环的类型可分为等幅疲劳、交 频疲劳、程序疲劳、随机疲劳等；按应力比可分为对称疲劳试验，非对称疲劳试 验( 非对称疲劳试验又可以分为单向、双向加载疲劳试验，单向加载疲劳试验又 可以分为脉动疲劳试验、波动疲劳试验) ：按照断裂寿命和应力高低不同进行分 类可分为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 低周疲劳( 1 0 wc y c l ef a t i g u e ，l c f ) ：低周疲劳断裂寿命较短，研= 1 0 2 l 旷 周次，又称低循环疲劳。其特点是作用于构件的应力水平较高，往往有塑性应 变发生，应力和应变呈非线性关系。表征材料低周疲劳性能的有应变寿命 ( e ) 血线和循环应力应交曲线。低周疲劳又称高应力疲劳或应变疲劳。 高周疲劳( h i g hc y c l ef a t i g u e ，h c f ) ：破坏循环次数在1 0 5 1 0 7 周次内 的疲劳。又称高循环疲劳。其特点是作用于构件的应力水平低于材料的屈服强度， 材料处于宏观弹性变形状态，应力和应变呈线性关系，表征材料高周疲劳性能的 是应力寿命曲线( 简称s n 曲线) 。 超高周疲劳( u l t r a - h i g hc y c l ef a t i g u e ，u h c f ) ：又称超长寿命疲劳 ( u l t i a - l o n g c y c l ef a t i g u e ) 亦可称为v e r yh i g hc y c l ef a t i g u e 或g i g u c t c l ef a t i g u e 传统疲劳研究受试验条件、试验设备和载荷频率的限制，疲劳研究范围常限于 1 0 7 周次以内。近二十年来，由于超声疲劳试验技术1 1 l 的发展，材料的疲劳寿命 测试已经达到1 0 1 0 周次。已有许多研究成果显示，材料在1 0 7 周次以上超高周疲 劳阶段仍然可能发生疲劳断裂1 2 - 5 1 ，值得注意的是各种动力机械的构件在服役期 实际承受的疲劳循环周次已远高于1 d 7 周。一般将循环在l o t l 0 7 周次范围内的 疲劳称为高周疲劳；而将循环次数在1 0 7 周以上的疲劳称为超高周疲劳 1 2 超高周疲劳问题 材料的疲劳以及与此相关的安全设计一直是人们十分关心的问题。虽然自 1 8 6 0 年w 6 h l e r 提出了疲劳曲线和疲劳极限的概念以来，疲劳研究积累了大量的 试验数据，但是这些研究大部分集中在低周疲劳和高周疲劳阶段，循环周次一般 不超过1 0 7 周次。随着科学技术的发展，许多工业部门( 如高速列车、汽车减震 弹簧、核工业设备中的散热器管道等) ，其某些结构和零件的实际使用寿命往往 要达到1 旷1 0 加周次，例如，以3 3 4 k m h 运行的欧洲之星快速列车车轴在一个 大修( 2 5 0 万公里) 服役期内要经历t 0 9 周循环；一台以3 0 0 ( k m i n 运行的高速 涡轮发动机在2 0 年服役期内要经历1 0 1 0 个应力循环 6 1 。用超声疲劳试验技术得 到的材料超高周疲劳性能研究表明，许多工程材料直到1 0 个应力循环后仍会发 生疲劳断裂【7 0 l ，因此用1 0 7 周次以上的传统疲劳试验数据对这些构件进行疲劳 强度设计是不安全的，为保障工程安全性的需要，保证构件在服役时间内不发生 疲劳破坏，有必要对材料在1 0 7 周次以上的超高周疲劳性能、疲劳萌生和断裂机 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 理进行充分的研究。常规液压伺服疲劳试验机的频率一般都低于1 0 0 h z ，提供超 过1 0 7 以上的超高循环周次的疲劳实验需要花费大量的时间，而且是不经济的。 而超声疲劳试验机的频率范围是1 5 3 0 k h z ，典型的频率是2 0 k h z ，用这样高 的频率不仅可以极大地节省疲劳试验的时间，而且可以测得常规疲劳试验几乎不 能得到的1 0 s - 1 0 加超高周疲劳性能。进行1 0 7 次循环，2 0 k h z 超声疲劳试验只需 用时8 。5 分钟，而采用1 0 0 h z 的常规疲劳机贝i j 需用时2 8 小时；进行1 0 9 次循环， 2 0 k h z 的超声疲劳试验用时不到1 4 小时，而采用1 0 0 h z 的常规疲劳机则需用时 1 1 6 天；进行1 0 次循环，2 0 k h z 的超声疲劳试验需用时5 8 天，丽采用1 k 的常规疲劳机则需用时3 1 8 年。可见，由于超声疲劳试验方法具有很高的频率， 因此它是一种经济可行的试验方法，基于超声疲劳试验技术的发展，可以对材料 的超高周疲劳性能进行研究。 1 3 材料超高周疲劳问题研究现状 超高周疲劳的概念始于2 0 世纪初，1 9 1 1 年，h o p k i n s o n 研制了可进行1 1 6 h z 试验频率的电动共振疲劳系统。1 9 2 5 年，j c n k i n 用同样的技术实现了2 s k h z 频 率的疲劳试验，并测试了铜、铁、钢等材料的疲劳性能。1 9 2 9 年j c n k i n 和l e h m a n n 的脉动空气振动系统使测试频率提高到1 0 k h z 。1 9 5 0 年m 撇1 9 j 基于压电致伸 缩原理并利用商能超声波谐振技术建立了超声疲劳试验方法，其工作频率一般在 1 5 2 2 k h z ，从此开辟了超声振动技术在材料疲劳损伤与循环寿命研究领域的新 阵地。1 9 5 9 年，n e p p i r 笛1 1 0 l 把这一技术用于材料的应力寿命( s 却曲线的测定， 开创了超声疲劳方法用于对称循环载荷下的疲劳寿命和疲劳极限测定的研究。 1 9 7 3 年，m i t s c h c 等【1 1 】率先用超声振动技术进行疲劳裂纹扩展试验，并给出第一 批4 丛k 曲线。现在，法国的b a t h l a s 教授和奥地利s t a n z l 教授带领的实 验室以及日本的研究机构在国际超高周疲劳研究中处于领先地位。不过，超声疲 劳试验还没有统一的实验标准，法国的b a t h i a s 实验室、奥地利的s t a n z l - t s c h e g g 实验室、美国的w i l l e r t z 实验室、日本的i s h i i 实验室、斯洛伐克的p u s k a r 实验 室以及中国西南交通大学的超声疲劳实验室均是使用自行开发的超声疲劳试验 系统进行疲劳研究。到目前为止，该方向研究的内容包括超声疲劳试验原理、试 验设备和多种加载形式及环境条件下的疲劳寿命、裂纹扩展试验，同时还将此技 术应用于磨擦、微动磨损以及微尺度等方面的研究，研究的材料包括航空航天、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 汽车、火车、海岸工程等工业部门中的关键结构的铝、镍、锂、铁、钢、镁、钛 等多种金属和舍金，且大量的研究成果已在航空，航天，汽车，高速列车等工业 领域获得应用。近二十年来材料超高周范围内的疲劳断裂问题开始受到工程界的 重视，并已举办过3 届超高周疲劳( c f ) 的国际会议。 1 3 1 超高周疲劳实验的洲曲线 对金属而言，常规疲劳s n 曲线在1 0 7 周次内一般呈现极限平台型；研究发 现，材料超高周疲劳的s - n 曲线表现出另两种模型，即持续下降型和阶梯下降型。 s h i o z a w a i “4 4 1 等人用频率为3 1 5 0 r m ( = - 5 2 5 h z ) 四轴悬臂旋转弯曲疲劳试验机 对s u j 2 等高强钢进行了超高周疲劳性能研究，在1 0 4 1 0 9 周次范围内，高强钢 的疲劳s n 曲线如图1 - 1 所示。m u r a k a m i l s - 1 7 1 等人用3 0 1 0 0 i - i z 的拉压疲劳试 验机得到的高强钢的疲劳s n 曲线呈现阶梯下降型，如图1 2 所示。由于超声疲 劳试验技术具有很高的频率，可以在很短的时间内使试验周次达到1 0 9 周次，因 此学者们用超声疲劳试验技术对大量材料进行了超高周疲劳性能研究，测出的疲 劳s - n 曲线或呈连续下降型( 如4 0 c l 钢、l y l 2 铝合金1 1 9 i jl y l 0 铝合金嘞、 2 0 2 4 - t 3 5 1 铝合金【2 ”、低温回火j i s s n c m 4 3 9 钢【矧、球墨铸铁1 2 3 , 2 4 1 、5 5 s c 7 弹簧钢1 2 5 捌等) ，或呈阶梯下降型( 如5 0 钢i 功、5 4 s c 6 弹簧钢1 2 7 , 2 s l 和c r - - m o 合 金钢网等) ，也有部分极限平台型。高碳铬轴承钢超声疲劳s - n 曲线如图1 3 所 示。5 5 s c 7 和5 4 s 0 1 弹簧钢超声疲劳s n 曲线如图l - 4 所示。 碡嘲口f 州o 埘- 暂 圈1 - 1 j l s s u j 2 悬臂型旋转弯曲疲劳s - n 曲线l t y - t s l图1 - 2 高强钢s - n 曲线图l u r t q 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 l l 垂 鬟 生簟环量帕喇h “4 幽- _ - * 图1 3 高碳铬轴承钢超声疲劳s - n 曲线旧 柳 l ， i 墓 ， l 矿 埘：妒 舻耐t o 妒舻 是瓣簟年童_ 坷，o f 日i l 鼻b 矗h 节 囊蕾囊警蓐俩辅尊t 茸 商- 一南e i 哺自b 口e 翻明f - 翱蓐- 睇哪 图1 - 4 三种o s i 高虽度弹簧钢疲劳s - n 曲线1 2 2 7 1 由s n 曲线可见，在超高周范围内，材料已不存在传统意义上的疲劳极限， 只有条件疲劳极限，即指定寿命的疲劳强度。因此，用传统意义上的疲劳极限进 行疲劳强度设计不能保证构件的安全性和设计的精确性，有必要研究1 0 7 周次以 后材料的疲劳性能。 1 3 2 超高周瘦劳裂纹荫生机理 低周和高周疲劳试验表明，疲劳断裂总是开始于零件关键部位应力或应变集 中区材料的循环塑性应变，通常疲劳裂纹在试样的表面萌生。 超声疲劳实验技术得到的材料超高周疲劳试验结果表明，在应力幅很低的情 况下，试样仍会发生疲劳断裂。试样疲劳断口扫描电镜分析结果表明，对应于应 力较高、寿命较短的第一次下降阶段，疲劳裂纹通常在试样的表面缺陷处萌生： 而对应于应力较低，寿命很长的超高周阶段，疲劳裂纹则大多在试样的次表面、 内部夹杂、空洞等微观缺陷处萌生1 2 4 2 6 1 ，参照图1 3 和图1 4 。能谱分析表明， 这些夹杂大部分是非金属夹杂。m u r a k a m i 1 5 , 1 6 , 1 7 , 2 9 1 利用光学显微镜( o m ) 对高 强度c r - m o 钢进行观察，发现裂纹源夹杂周围发现了“光学黑区”( o p t i c a l l y d a r k a r e a s ，o d a ) ，认为光学黑区的形成与氢有关。在超高周范围内，黑区的尺寸 与循环周次有很大的关系，随着循环周次的增加，黑区的面积增大，其面积大概 是夹杂面积的2 到3 倍。在估计疲劳强度时认为黑区是缺陷，黑区的形成需要循 环周次和氢的支持。为了验证黑区的形成确实与氢有关，m u r a k a m i 和他的合作 者们对s c m 4 3 5 进行了三种不同热处理状态的超高周疲劳试验，三种状态含氢量 存在明显不同，q t ( 渗碳、渗氮之后8 5 0 c 淬火1 7 0 c 回火) 试样氢的含量为o 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 o 9 p p m v o ( 渗碳、渗氮之后8 5 0 真空淬火1 7 0 回火) 、v a i 和v a 2 ( v a i 和v a 2 分别表示在真空中3 0 0 退火1 小时和2 小时) 试样的含氢量均小于 0 0 1 p p m 。结果显示：v a i 和v a 2 试样黑区尺寸比q t 试样的尺寸小，v 0 试 样的黑区尺寸最小。在o d a 面积相等的情况下，v q 试样的寿命大于q t 试样 的寿命。日本物质材料研究机构的f u m y a 等同样认为黑区的形成与氢有关，但 破坏机理与氢脆不同f 2 弘甜i 。王弓妒1 1 提出了描述超高周疲劳裂纹萌生的“点缺帑 沉淀机理”，金属材料中不可避免的4 厂m 存在第二相粒子( 如钢中的碳，铸lj l 、l 铁中的石墨等) 、夹杂物和空洞等微芝3 f0 i 观缺陷，这些第二相粒子和夹杂物毒lll 在外力作用下会与基体脱粘，形成 。广茁= 。十一r 一q 空洞。这些空洞和材料本身存在的 。lil 微空洞，统称为金属材料的微裂纹。 o d0 20 40 6m8 i o 超高周疲劳载荷下材料中存在的间 ll 玎r 圳 f 隙原子( 如h 、r n 、o ) 等晶格点缺 。囫囫囫 陷在微裂纹尖端不断富集微裂 圈1 - 5 夹杂与表面的相对位置对最大应力和名义应力 纹不断长大一点缺陷沉淀进微裂 批信的影响 纹尖端区域，此过程反复进行，微裂纹不断长大，最终裂纹尖端的应力强度因子 将大于疲劳裂纹扩展理论定义的应力强度因子门槛值，这时的微裂纹成为宏观意 义上的扩展裂纹，疲劳裂纹内部萌生过程结束。 参考文献1 3 5 挪l 通过三维有限元模型研究了包含孔隙和空洞较多的材料的次 表面疲劳裂纹萌生机理，分析结果如图1 - 5 所示。在空洞尺寸相同的情况下，反 映次表面夹杂所在位置与应力集中的大小问的关系。 1 3 3 超高周疲劳裂纹扩展机理 在疲劳裂纹扩展阶段，正应力对裂纹的扩展产生很大的影响，裂纹的 扩展速度和深度都比以前大得多，考虑在裂纹尖端周围的金属中，因应力 集中而出现一个塑性区。对疲劳裂纹扩展特征的显微观察表明疲劳裂纹的 扩展分为两个阶段，对应着不同的扩展机理和微观结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 1 ) 第1 阶段裂纹扩展： 材料的滑移特性和显微组织特征尺度，应力水平及近顶端塑性区尺寸 对疲劳裂纹扩展的微观模式有强烈影响。在许多延性固体中，把循环载荷 引起的裂纹扩展想像为在裂纹顶端近旁的滑移带内发生的急剧局部形变 过程：当裂纹尖端塑性变形区的尺寸只局限在几个晶粒直经范围内时，裂 纹主要沿主滑移导方向以纯剪切方式扩展，形成微观尺度上的大锯齿或小 平面的断裂形貌。f o r s y t h 3 7 l 将这种导致“z 字型”裂纹路径的纯滑移机制定 义为第1 阶段疲劳裂纹扩展。在许多铁舍金、铝合金及钛合金中都观察到 裂纹的第1 阶段扩展。在这些材料中，即使裂纹长度比晶粒尺寸大得多， 只要裂纹尖端塑性区的尺寸比晶粒尺寸小( 即k 值很小) ，就会出现这 种扩展从本文的研究结果发现，在3 0 4 不锈钢的微观断口中发现了由于 相变导致的簇状条带结构，与f o r s y t h 的形成微观尺度上的大锯齿或小平 面的断裂形貌有着明显的区别。 ( 2 ) 第1 i 阶段裂纹扩展及疲劳辉纹； 应力强度范围较高时，裂纹尖端塑性区跨越多个晶粒。这种裂纹扩展 沿两个滑移系统同时或交替进行。f o r s y t h 37 j 把这种双滑移机制下的疲劳裂 纹扩展定义为第l i 阶段扩展。这时，疲劳裂纹扩展的宏观路径大体上垂直 于拉伸载荷轴。在微观尺度上，这种循环滑移过程在断裂表面上显示出特 殊的“波纹状”痕迹，称为疲劳辉纹。如果外加循环载荷保持恒定，那么辉 纹间距与试验测出的裂纹在每个循环中的平均扩展距离有对应关系。 f o r s y t h 和r y d e r 1 2 】最早对这种对应关系作了报导。 曾有多种理论模型来解释疲劳辉纹的形成及疲劳裂纹的第1 i 阶段平面 扩展，其中一个引人注目的物理模型是l a i r d 3 3 】的塑性钝化模型。该模型 设想在每个载荷循环中疲劳裂纹向前扩展一段距离是由裂纹顶端塑性钝 化引起的。在拉伸应力的作用下，裂纹顶端会由于双滑移而发生塑性钝化， 该钝化过程可使裂纹向前扩展一段与裂纹顶端引开位移具有相同量级的 距离，如果远场应力变为压应力，那么裂纹顶端会重新锐化，并在随后的 拉伸过程中再次钝化。压缩时的裂纹闭合不能完全消除拉伸应力造成的钝 化。因而在随后的拉伸载荷作用下裂纹会再向前扩展一段距离，正是一个 疲劳循环中发生的这种裂纹净扩展导致形成疲劳辉纹。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 责 1 3 4 超高周疲劳寿命预测模型 超高周疲劳寿命预测模型到目前有以下三种： ( 1 ) m a l 【a m i 旧认为材料内部的缺陷，包括夹杂和空洞等均可以看成是小 裂纹，用断裂力学的理论推导出了超高强度钢的超高周疲劳极限： 巾丽c ( m ：矛+ i z o ) 降r ( 1 1 ) q 。刁丽l 丁i u d ) 式中s 。为材料超高周的疲劳极限，单位m p a ：c = 1 4 3 对应于表面缺陷和夹杂， c = 1 5 6 对应于内部缺陷和夹杂；h v 为材料的维氏硬度，单位k g f - 眦n - 2 ；a r e a 是缺陷最大拉应力垂直方向上的投影面积，单位为m 2 ，r 为应力比， a 一0 2 2 6 + h v x l 0 4 。通过对裂纹源特征的研究发现，当把黑区作为缺陷面积 时，模型值与实验值吻合较好。当缺陷恰好与表面接触，即试样与表面的距离为 零时，c = 1 4 1 。王清远等【2 8 1 修正了该模型： q 一鬻【爿q 。菊帮i t l ( 1 7 2 ) 对低合金商强度钢，式中8 = 3 0 9 - - 0 1 2 t 0 9 3 r ：( 对内部缺陷和夹杂，m 为疲劳寿命) 或b = 2 7 9 - - 0 1 0 8 1 0 9 n ( 对表面缺陷和夹杂) 。利用该模型可预测材料的超高周疲 劳寿命。但该模型中a r e a 难以预测，而且忽略了其他微观结构的影响，也没有 考虑裂纹萌生在疲劳寿命中所起的作用。另外必须针对特定材料确定模型公式中 的系数。 ( 2 ) m u g h r a b i i 矧通过研究从高周疲劳到超高周疲劳不可逆滑移的变化，假 设m a n s o n - c o f f m 关系在超高周疲劳中仍然成立并且假定局部不可逆累积塑性应 变达到某一临界值时材料破坏，得出描述超高周疲劳寿命的关系式： 。 扩 f ( ae p l ) 一号号手c o n s t 0 - 3 ) q , - f 式中e ：为疲劳韧性系数，c 为疲劳韧性指数，a 。为塑性应变幅值，n f 为疲劳 周次，e ；二，= 2 n f a “p ( a ，1 ) 为不可逆塑性应变例，p ( 1 ) 为不可逆循环滑 移。m a n s o n - c o f f m 关系在超高周疲劳阶段的适用性及m u g b x a b i 理论的正确性还 需要实验数据的支持。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 3 ) 王弘l 柏l 根据点缺陷沉淀机理，给出了疲劳裂纹内部萌生寿命的表达 式； 。 ，吼。札- b( 1 4 ) 一a d y 2 c o 卜皈蚓+ 警卜。甏努， d 为扩散系数，r 为热力学常数( r = 8 3 1 4 3j 瓜t 0 0 1 ) ，t 为绝对温度，c 0 为点 缺陷初始浓度，为裂尖应力场诱导的点缺陷扩散速度，口为裂纹长度，4 。为初 始微缺陷裂纹尺寸，4 。为可扩展裂纹临界尺寸，y 为形状因子，是与裂纹形状 和试样几何有关的量，c 为形成可扩展裂纹的疲劳循环周次，即疲劳裂纹萌生寿 命。a k 为应力强度因子范围。为材料的理论结合强度( 即原子键合力) ，仃。 为对称循环应力幅。当口o a c 时，( ( a 局。一a 局) 一a 焉缸，这时，可忽略初始 应力强度范围( 即初始微缺陷裂纹尺寸) 对系数b 的影响，口表达式简化为： - 丑- 彘卜昏瓮l m s ， 参量8 与材料的微观组织结构和宏观力学性能、材料中第二相粒子或夹杂的几何 尺寸和形状、点缺陷的性质及扩散热力学参数、环境温度及疲劳加载条件有关。 1 4 影响材料疲劳性能的因素 影响材料疲劳性能的因素有很多，其中包括显微组织，晶体学织构、合金元 素，疲劳频率，应力状态，及机械表面处理和热加工表面处理等。 1 4 1 显微组织对材料疲劳性能的影响 大量的常规疲劳试验表明1 4 1 4 2 】，热处理对金属材料低周和高周的疲劳性能有 较明显的影响。扈延光1 4 3 j 等研究了热处理制度对4 2 c r m o 钢的光滑和缺口试样的 疲劳性能的影响，认为在8 5 0 0 c 淬火，5 6 0 0 c 回火时，4 2 c r m o 钢获得最好的疲 劳性能，过热组织会使疲劳性能降低。柬德林1 4 1 l 对结构钢的低周、高周疲劳试验 研究表明，热处理组织也将影响其疲劳强度。正火组织因碳化物为片状，其疲劳 强度最低；淬火回火组织，因碳化物为粒状，其疲劳强度比正火的高，4 5 钢淬 火后，回火马氏体的疲劳强度最高；回火托氏体的次之；回火索氏体的最低。淬 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 火组织中若存在未溶铁素体和未转变的残余奥氏体，或是非马氏体组织，因它们 都是比马氏体软的组织，容易形成疲劳裂纹，因而会降低疲劳强度。试验表明： 当钢中存在有1 0 的残余奥氏体时，可使以，l 。，降低l o 1 5 ；当钢中 l ”， i 含有5 的非马氏体组织时，可使以，f 。，n ，降低1 0 。因此，通过热处理，用 i ”，。 细化晶粒和改变组织的方法可以提高材料的疲劳强度。细化晶粒既阻止疲劳裂纹 在晶界处萌生，又因晶界阻止疲劳裂纹的扩展，故能提高疲劳强度。允志新州 研究循环淬火细化对4 2 c r m o 钢组织和疲劳性能的研究中发现4 2 c r m o 铜经 8 鲫c 循环淬火三次，5 5 0 0 c 回火处理以后，奥氏体晶粒直径细化到7 u r n 左右， 形成的马氏体板条长度大大缩短，由于短小的马氏体板条具有较低的疲劳缺口敏 感性，使疲劳强度提高了2 4 ，王泾文1 4 5 j 在对预冷扎对1 c r l 8 n i g r i 的力学性能 影响进行研究中指出，1 c r l 8 n i g t i 在经过预冷扎处理后，1 c r l 8 n i 9 t i 具有很高 的加工硬化能力，冷变形使1 c r l 8 n i f f l 晤弹性性能大大强化，极限抗拉强度和屈 服强度得到提高，同时疲劳强度也大幅度提高。超声频率加载下的疲劳试验研究 表明，材料的热处理工艺对其超高周疲劳性能也产生不同的影响，但不少文献指 出，热处理工艺对材料超高周疲劳性能