高强度钢超高周疲劳的研究进展

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1、·１３４·材料导报Ａ：综述篇２０１５年４月（上）第２９卷第４期高强度钢超高周疲劳的研究进展＊何柏林，魏康（华东交通大学机电工程学院，南昌３３００１３）摘要近年来，高速列车、汽车、航天器中的核心工程构件承受的疲劳循环已达１０８１０周次甚至更高。目～１０前的研究结果表明，高强钢材料在１０７周次以上的超高周疲劳阶段内仍会发生疲劳断裂，不存在传统的疲劳极限。因此，研究高强钢的超高周疲劳特性不仅有助于理解疲劳机理，而且有利于研究材料超高周疲劳设计及寿命评估方法。论述了高强钢超高周疲劳研究的背景和意义，介绍了近几年超高周疲劳的研究成果，包括Ｓ－Ｎ曲线的特征、裂纹萌生特征和扩展机理、断面上鱼眼

2、形貌等，并给出了未来超高周疲劳的研究方向。关键词超高周疲劳Ｓ－Ｎ曲线疲劳极限疲劳机理裂纹萌生中图分类号：ＴＧ１１５文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．１１８９６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０２３Ｘ．２０１５．０７．０２２ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＶｅｒｙＨｉｇｈＣｙｃｌｅＦａｔｉｇｕｅｆｏｒＨｉｇｈＳｔｒｅｎｇｔｈＳｔｅｅｌｓＨＥＢｏｌｉｎ，ＷＥＩＫａｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００１３）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｔｈｅｃ

3、ｏｒｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ，ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓａｎｄａｉｒｃｒａｆｔｓａｒｅ８１０ｒｅｑｕｉｒｅｄｔｏｅｎｄｕｒｅｆａｔｉｇｕｅｌｏａｄｓｕｐｆｒｏｍ１０ｔｏ１０ｃｙｃｌｅｓ．Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｕｄｙｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｔｈｅｖｅｒｙｈｉｇｈｃｙｃｌｅ７ｆａｔｉｇｕｅ（ＶＨＣＦ）ｒｅｇｉｍｅｓｏｆｍｏｒｅｔｈａｎ１０ｃｙｃｌｅｓ，ｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｆａｉｌｕｒｅｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｍａｔｅｒｉａｌｓｃａｎｏｃｃｕｒｂｅｌｏｗｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｆａｔｉｇｕｅｌｉｍｉｔ，ｈｅ

4、ｎｃｅｔｈｅＶＨＣＦｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｓｎｏｔｏｎｌｙｈｅｌｐｔｏｆｕｒｔｈｅｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｅｓｓｅｎｃｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｂｕｔａｌｓｏｄｏｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｌｉｆｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｂａｃｋ－ｇｒｏｕｎｄａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｖｅｒｙｈｉｇｈｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｉｒｓｔｌｙ．ＴｈｅｎａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｏｆＶＨＣＦｒｅ－ｓｅａｒｃｈｅｒｓｆｏｒｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈ

5、ｓｔｅｅｌｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＳ－Ｎｃｕｒｖｅａｎｄｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ，ｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｏｎｆｉｓｈ－ｅｙｅ，ｅｔｃ．ａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｓｏｍｅｐｏｓｓｉｂｌｅａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｉｖｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｆｕｔｕｒｅｒｅ－ｓｅａｒｃｈｅｓａｒｅａｌｓｏｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｖｅｒｙｈｉｇｈｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅ，Ｓ－Ｎｃｕｒｖｅ，ｆａｔｉｇｕｅｌｉｍｉｔ，ｆａｔｉｇｕｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ失效机理开展更深入的研究

6、。该区间的疲劳被称为超高周０引言［３，４］疲劳（Ｖｅｒｙｈｉｇｈｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅ，ＶＨＣＦ，也称为Ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ在工程实践中，大多数高强钢构件在循环交变载荷作用［５］）。由于超高周疲劳发生ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅ或Ｇｉｇａｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅ下可能会发生突然断裂，导致非常严重的事故。断裂事故主在传统疲劳极限以下，因此研究高强钢材料的超高周疲劳特要是由疲劳断裂引起的。随着工业技术的发展，高强钢构件性不仅对疲劳设计具有指导意义，而且更有利于深入理解疲实际的疲劳寿命已达到１０８周次，甚至可达１０１１周次。近些［１］。劳本质，尤其是疲劳裂纹的萌生和扩展机理年高强钢的疲劳

7、研究积累了大量的疲劳实验数据，建立了相由于常规疲劳试验机的加载频率普遍不高，进行超高周关的理论模型，但这些研究工作主要集中在低周疲劳（Ｌｏｗ疲劳试验耗时长、费用高。１９５０年Ｍａｓｏｎ首次应用压电晶ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅ，ＬＣＦ）和高周疲劳（Ｈｉｇｈｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅ，ＨＣＦ）阶体和电磁共振技术使振动频率达２０ｋＨｚ后，开辟了高能超段，循环周次低于１０７周次［１］。而据报道一些高强钢在超过声波谐振技术在高强钢断裂与疲劳的实验研究的新阵地。７循环周次时仍会发生疲劳失效，即不