A review on mechanisms and models for very-high-cycle fatigue of metallic materials

在循环载荷作用下, 合金材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在10⁷以上的过程被称为超高周疲劳 (very-high-cycle fatigue, VHCF).本综述将从30年前超高周疲劳的研究起源讲起, 直到近年的最新进展.引言之后的内容包括: 超高周疲劳研究的起源, 超高周疲劳的主要特征, 超高周疲劳裂纹萌生特征区和特征参量, 裂纹萌生特征区的形成机理与模型, 超高周疲劳性能预测模型. 在叙述中, 试图回答下列问题: 什么是超高周疲劳?为什么要研究超高周疲劳?超高周疲劳的关键科学问题是什么?超高周疲劳的S-N曲线趋势为什么发生变化?超高周疲劳裂纹为什么萌生于材料 (试样) 内部?裂纹内部萌生的过程和机理是什么? 上述问题有的可以给出明确的回答, 有的则是现阶段的最新结果, 并有待于对问题的继续探索.     

合金材料超高周疲劳的机理与模型综述

在循环载荷作用下, 合金材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在107以上的过程被称为超高周疲劳 (very-high-cycle fatigue, VHCF).本综述将从30年前超高周疲劳的研究起源讲起, 直到近年的最新进展.引言之后的内容包括: 超高周疲劳研究的起源, 超高周疲劳的主要特征, 超高周疲劳裂纹萌生特征区和特征参量, 裂纹萌生特征区的形成机理与模型, 超高周疲劳性能预测模型. 在叙述中, 试图回答下列问题: 什么是超高周疲劳?为什么要研究超高周疲劳?超高周疲劳的关键科学问题是什么?超高周疲劳的S-N曲线趋势为什么发生变化?超高周疲劳裂纹为什么萌生于材料 (试样) 内部?裂纹内部萌生的过程和机理是什么? 上述问题有的可以给出明确的回答, 有的则是现阶段的最新结果, 并有待于对问题的继续探索.      

再论超高周疲劳裂纹萌生特征区

关于合金材料超高周疲劳, 笔者提出了裂纹萌生特征区及特征参数的概念, 并提出了“大数往复挤压” 模型揭示裂纹萌生特征区形成机理. 对于高强钢, 该特征区为断裂面的细颗粒区; 对于钛合金, 该特征区为断裂面的粗糙区. 近年, 关于合金材料超高周疲劳裂纹萌生过程与机理受到疲劳领域广泛关注, 并有若干研究新进展. 对此, 有几个问题需要进一步论述, 包括: (1) 微结构细化并演化为纳米晶层的裂纹萌生特征区是发生在裂纹形成之前或之后? (2) 特征区的形成与加载应力比的关系? (3) 特征区纳米晶层的厚度、连续性和微结构细化程度? (4) 特征区的形成是否需要真空环境? 此外, 不同高强合金和不同加载方式的特征区形态也有新的进展. 本文将基于近年文献中的结果, 对这些问题进行综合论述. 本文还简要论述了裂纹萌生特征区概念和大数往复挤压模型的启示, 包括: 合金材料超高周疲劳特性的评估与预测、提高增材合金材料超高周疲劳性能的途径、制备纳米晶薄层材料的可能性. 在郑哲敏先生仙逝一周年之际, 以此文告慰我的导师郑先生.      

CrMoW转子钢高温超高周裂纹扩展及疲劳行为研究

本文研究了超超临界汽轮机CrMoW转子钢在常温与600℃条件下的超高周旋转弯曲疲劳行为。实验中利用位移传感器原位监测试件挠度变化,研究裂纹的萌生与扩展特性。研究结果发现,在常温下,疲劳裂纹主要萌生于试样表面,但也发现超高周次疲劳破坏的裂纹萌生于内部的情形。600℃时,S-N曲线呈现直线下降的趋势;大多试样裂纹萌生区和初始扩展区发现非金属夹杂物,其裂纹萌生是表面裂纹起源和亚表面夹杂物相耦合的结果。裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命的90%以上,裂纹萌生寿命百分比(Ni/Nf)随疲劳寿命的延长而增大,并且温度对裂纹萌生寿命百分比没有影响。     

航空发动机钛合金材料的高周和超高周疲劳性能研究

通过对航空发动机空心风扇叶片用Ti-6Al-4V随炉试样的高周和超高周疲劳试验研究,揭示了Ti-6Al-4V材料在10~7循环周次以上同样会发生疲劳破坏.采用三参数幂函数寿命曲线拟合了高周和超高周的疲劳性能数据,发现可以较好地将两种试验下的数据衔接起来,结果显示在此试验条件下基于超声的超高周疲劳试验的频率效应可以忽略.通过断口分析表明,超高周试样在试样表面没有缺陷的情况下,裂纹大多数是从材料内部或次表面萌生,而高周疲劳试样的裂纹是从材料表面开始萌生.     

航空发动机钛合金材料的高周和超高周疲劳性能研究1）

通过对航空发动机空心风扇叶片用Ti-6Al-4V 随炉试样的高周和超高周疲劳试验研究,揭示了Ti-6Al-4V 材料在10⁷ 循环周次以上同样会发生疲劳破坏. 采用三参数幂函数寿命曲线拟合了高周和超高周的疲劳性能数据,发现可以较好地将两种试验下的数据衔接起来,结果显示在此试验条件下基于超声的超高周疲劳试验的频率效应可以忽略. 通过断口分析表明,超高周试样在试样表面没有缺陷的情况下,裂纹大多数是从材料内部或次表面萌生,而高周疲劳试样的裂纹是从材料表面开始萌生.     

GCr15钢超声微动疲劳性能研究

由微动产生的裂纹萌生对钢组件的疲劳强度具有重要影响。本文选择GCr15轴承钢,在20kHz超声疲劳试验机提供的循环载荷作用下,测试其超长寿命微动疲劳性能。试验结果显示,在109循环周次下微动疲劳强度影响因子达到0.37。通过电子扫描电镜观察试件磨损面和微动疲劳断口,并分析了高频超长寿命微动疲劳断裂机理。高周疲劳裂纹通常会在磨损面的粘着区与滑移区交界处萌生,超高周疲劳裂纹在粘着区内萌生。微动磨损面的面积以及磨损面的粘着区都随着试件疲劳寿命的增加而增加。     

微粒子喷丸对等温淬火球墨铸铁超高周疲劳性能的影响

为分析微粒子喷丸工艺对等温淬火球墨铸铁(ADI)超高周疲劳性能的改善情况,利用旋转弯曲疲劳试验机开展了ADI 109循环周次疲劳试验。对比分析了经微粒子喷丸处理前后试样的疲劳性能,并利用扫描电镜对断口表面进行观察,分析了其超高周疲劳破坏行为。结果表明:未喷丸和喷丸处理后ADI的S-N曲线均表现为典型的阶梯下降型,且在超高周区域没有传统疲劳极限。微粒子喷丸可显著提高原始材料高周阶段的疲劳强度,超高周阶段的疲劳强度也有一定程度的提升。断口观察显示,超高周阶段两种试样均起裂于内部的缩孔或石墨球,并且部分断口表面可观察到粒状亮面GBF(granular bright face)区域。微粒子喷丸所引入的硬化层及残余压应力迫使疲劳裂纹萌生位置向内部转移。通过降低裂纹萌生位置的应力可改善旋转弯曲条件下超高周阶段的疲劳强度。     

超声疲劳载荷下球墨铸铁裂纹扩展速率研究

论文采用超声疲劳试验技术测试了发动机曲轴用球墨铸铁的超高周疲劳强度及超声疲劳载荷下的裂纹扩展速率.考虑高频载荷下疲劳裂纹扩展过程中的温升效应,测试了球墨铸铁超声疲劳裂纹扩展过程中的温度变化,研究了超声微幅循环载荷下球墨铸铁的疲劳裂纹萌生与扩展机制.根据超声疲劳试验控制位移的加载特点及超声疲劳试样几何形状特征,数值计算了超声疲劳裂纹扩展应力强度因子,给出了该球墨铸铁超声疲劳裂纹扩展速率曲线.     

结构金属材料超高周疲劳破坏行为

受传统试验方法的限制,结构材料的疲劳研究范围常限于107周次以内。然而,过去十年出现了一系列意料之外的破坏事件,尤其是对于认为具有明显疲劳极限的钢铁结构部件。因此,对于不同材料达到1010周次的超高周疲劳行为的研究引起了广泛关注,尤其是近年来成为了热点。本文综述了结构金属材料超高周疲劳的研究现状并介绍了其基本方面。主要内容包括：加速疲劳试验方法的发展与应用、超高周疲劳引起的内部断裂的裂纹萌生机制与扩展特征、S-N曲线的形状特点、疲劳极限存在性及其预测、加载频率和环境及表面状况的影响等。在此基础上提出值得进一步研究的一些方向。     

孔径尺寸对干涉配合铆接件超高周疲劳性能的影响

合理的干涉配合铆接工艺可以有效提高构件疲劳性能,本文通过试验研究与数值模拟相结合分析孔径尺寸对干涉配合铆接件超高周疲劳性能的影响。利用20kHz超声疲劳试验系统测试了三种不同孔径尺寸下干涉配合铆接件的超高周疲劳性能;基于ABAQUS模拟分析了铆接工艺过程以及孔径尺寸对干涉量和孔边残余应力的影响,通过分析高频低幅加载下孔边应力分布,结合超高周疲劳试验及断口形貌观察,分析了孔径尺寸对铆接件超高周疲劳性能的影响。结果表明:不同孔径尺寸铆接件的裂纹萌生扩展方式类似,疲劳裂纹萌生均发生在孔边距表面1.5mm最大残余拉应力处;适当减小孔径尺寸所形成的合理干涉量可以提高铆接件疲劳寿命,φ4.10mm的孔径可以形成0.66%的孔边平均干涉量,铆接件疲劳寿命最高达到3.63×108周。     

Ti-6Al-4V在模拟体液中的超高周疲劳裂纹萌生与扩展

采用超声疲劳方法,开展了医用Ti-6Al-4V在实验室大气和模拟体液两种环境条件下105~109周次范围内的疲劳实验,研究了Ti-6Al-4V的疲劳裂纹萌生与初始扩展行为。实验结果表明:与实验室大气相比,在模拟体液环境下,Ti-6Al-4V的疲劳强度降低了约200MPa。主要原因是疲劳裂纹扩展门槛值减小,促进了疲劳裂纹的萌生和扩展。在两种环境下都发现:高应力短寿命条件下,疲劳裂纹萌生源于微区破碎;而在低应力长寿命条件下,疲劳裂纹萌生源于微区开裂。理论分析表明,粒状亮面(Granular Bright Face,GBF)区的形成与裂纹尖端塑性区和Ti-6Al-4V晶粒尺寸大小有关。     

斜齿轮疲劳裂纹萌生及扩展过程全寿命研究

文章以斜齿轮为研究对象,综合考虑混合润滑状态下摩擦动力学特性对齿面应力分布的影响以及渗碳表层硬度梯度和残余应力的非均匀分布特征,以风险疲劳累积理论为基础建立了疲劳裂纹萌生寿命预估模型;考虑裂纹在晶粒内部的非线性扩展规律以及晶界处的非连续扩展特征,建立了短裂纹扩展模型;针对长裂纹扩展过程中不同阶段扩展速率的差异,建立了长裂纹扩展速率统一方程,从而完成了对齿轮接触区疲劳裂纹萌生及扩展过程全寿命的预估.计算结果表明:齿面应力分布受动载荷和润滑状态的影响显著;在残余应力作用下,有效剪切应力在渗碳表层出现多个波峰,疲劳裂纹萌生位置多点化,导致裂纹尺度有所不同,疲劳寿命存在差异,失效形式多样化.     

高强度钢的超高周疲劳裂纹扩展模型研究

当疲劳寿命在106或107周时,Wöhler S-N 曲线被看作渐近于水平轴,107的疲劳强度被看成是疲劳极限。现代应用要求延长零件的工作寿命,实际齿轮部件应用超过107循环的疲劳失效。本文应用压电超声疲劳试验机对经过热处理和渗碳处理后的低铬合金钢材料进行研究,采用红外摄像仪观测试件表面的温度场随疲劳裂纹萌生和扩展的过程。试验条件是室温,应力比为0.1（R=0.1）,频率为20KHz。通过对表面渗碳处理后试件的断口分析,探讨表面渗碳处理、微观结构和与杂质有关的断裂机理,根据Paris公式建立超高周疲劳裂纹扩展模型。对裂纹扩展过程中裂纹尖端的塑性区的分析结果,结合传热学原理,建立热耗散模型,有限元方法的数值解结果较好地符合红外摄像仪的观测的试验结果。     

近场动力学框架下钢轨疲劳裂纹萌生预测的数值方法研究

经典连续介质力学在求解由裂纹引起的不连续问题时,会出现数学构架失效的情况. 为克服这一难题,基于近场动力学理论,构建铁路钢轨疲劳裂纹萌生的数值预测方法,可实现钢轨疲劳裂纹萌生寿命与位置的预测. 当未出现疲劳裂纹时,通过与经典连续介质力学模型的结果对比,验证近场动力学模型的正确性和适用性. 分析了车轮全滑动、黏着-滑动和无摩擦三种状态对钢轨疲劳裂纹萌生的影响规律,结果表明:车轮由全滑动向无摩擦转变的过程中,裂纹萌生位置由钢轨表层转移到内部,裂纹萌生所需的荷载循环次数由0.45×107次增至2.05×107次,可见车轮滚滑状态会影响裂纹的萌生位置,并且较大的切向接触应力会显著降低钢轨的疲劳裂纹萌生寿命.      

聚乙烯Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展实验研究

本文采用中密度聚乙烯(MDPE)单边斜切口板状试样,完成了多种条件下的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验.通过对裂尖和裂尖银纹区演化的全程显微测量,获取了各试样疲劳裂纹扩展过程的一致性特征,其过程分为初始银纹区萌生、银纹区转向、裂纹宏观扩展三个阶段.通过计算发现最大周向拉应力准则能精确预测第一阶段初始银纹区的萌生角度.试验表...     

TC4钛合金超高周次轴向振动疲劳试验

应用基于压电超声疲劳试验技术开发的20kHz轴向振动疲劳试验系统,完成了室温下TC4钛合金超高周疲劳试验,获得了TC4合金在107～109周次范围内的轴向振动疲劳寿命曲线(S-N曲线);运用C.Paris推导公式预测了TC4合金材料的寿命,得到各应力水平下破坏率为50％、95％、99％的安全寿命.结果表明:在疲劳循环大于107周次时,试件仍会发生疲劳断裂,疲劳强度随循环次数的增加而下降,并不存在明显的疲劳极限.TC4合金的S-N曲线在107～109周次的范围内呈连续下降型.在轴向振动超高周疲劳试验中,试件的裂纹扩展寿命只占其在50％破坏率下疲劳安全寿命的一小部分,其疲劳寿命主要由试件的裂纹萌生寿命决定.     

核电690合金传热管微动疲劳试验及损伤机理分析

核电蒸汽发生器传热管在微幅磨损与交变载荷的作用下形成微动疲劳,导致其表面裂纹萌生和扩展乃至破裂,从而影响反应堆的安全. 为研究径向载荷以及轴向交变应力对690合金管微动疲劳寿命的影响规律,开展690合金管管材的微动疲劳试验,获得690合金管管材的微动疲劳寿命曲线,并与相关研究数据进行对比分析,以便探讨材料在微动疲劳下的寿命模型. 对不同载荷下的690合金管试样的磨痕表面进行三维形貌和扫描电镜观测,分析磨损表面的损伤机理;对不同载荷下的690合金管试样断口的宏观与微观形貌进行表征,分析裂纹萌生、起裂过程及其失效机理. 结果表明690合金管与403不锈钢(SS)抗振条间的磨损机理为剥层及磨粒磨损;690合金管在径向载荷作用下于微动磨损处产生裂纹源,裂纹在轴向交变应力的作用下不断向内部扩展,最终导致断裂;其断裂形式为解理疲劳断裂.      

超声冲击对铝合金搅拌摩擦焊接头超高周疲劳性能的影响

本文通过超声疲劳试验方法研究了超声冲击处理对两种铝合金(AA6061和AA7075)搅拌摩擦焊接头超高周疲劳行为(107~109周次)的影响。利用微观组织、显微硬度以及X射线衍等方法对表面处理技术对试样表层材料的作用进行了表征。结果显示,超声冲击处理可以在接头表面形成强化层,使疲劳裂纹源由试样表面转移至内部。对铝合金AA6061,接头处理前后疲劳强度差异不大,但可明显提高AA7075接头的疲劳寿命。最后,对疲劳裂纹萌生的特点和表面强化层以及残余应力对疲劳强度的作用机制进行了分析。     

干态下车轮材料表面疲劳裂纹萌生试验研究

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机,结合安定极限理论研究了干态下影响车轮材料表面疲劳裂纹萌生与扩展的因素,探究了表面疲劳损伤形成机理和演变规律.结果表明:随垂向力、横向力和冲角增大,表面疲劳裂纹越容易萌生扩展;冲角对表面疲劳裂纹的萌生与扩展起着重要作用,大冲角下斜线状表面疲劳裂纹萌生扩展明显;只有横向力而不存在冲角时,试样表面不会出现斜线状表面疲劳损伤;车轮试样在周期性循环载荷作用下在表面先形成塑性流动,然后沿轮轨表面切向力方向扩展成斜线状的表面疲劳起皮剥落损伤;垂向力是影响表面裂纹萌生时间的重要因素之一.