关于超高周期疲劳研究

小麦

                                       关于超高周期疲劳研究
摘要：本文综述超高周疲劳研究的历史与现状。由于超高周疲劳发生在传统疲劳极限以下，因此研究超高周疲劳行为不仅对疲劳设计具有指导意义，而且更有助于深入理解疲劳的本质，尤其是对裂纹起源和萌生的认识。利用光学显微镜、扫描电镜、旋转弯曲疲劳试验机等实验与理论相结合的方法来观察超高期疲劳的试样断口进而在腐蚀环境下进行超高周期疲劳寿命的预测。

关键词：超高期   疲劳  寿命
一、国内外研究现状综述
1.1 背景
疲劳破坏是机械零部件早期失效的主要形式。它包括仅有外加应力或应变波动造成的机械疲劳；循环载荷同高温联合作用引起的蠕变一疲劳；循环受载部件的温度变动时引起的热机械疲劳(即热疲劳与机械疲劳的组合)；在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复载荷时的腐蚀疲劳；载荷的反复作用与材料之间的滑动和滚动接触相结合分别产生的滑动接触疲劳和滚动接触疲劳；脉动应力与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的微动疲劳等等。据统计，约有80%以上零部件失效是由这几种疲劳引起的，其中大多数是突然断裂。
材料的疲劳以及与其相关的安全设计一直是人们所十分关心的问题。1852年到1870年之间，德国铁路工程师Wholer首次对车轴的疲劳问题进行系统的研究，提出S-N曲线和疲劳极限的概念。此后的一百五十多年，S-N曲线和疲劳极限一直作为疲劳设计的依据。过去机械设备一般要求的寿命和强度较低，通常使用低碳钢等金属材料，疲劳试验进行到107周次即可得到S—N曲线的水平段，因此一般当金属材料经107次循环而不破坏时，即认为它可承受无限次循环。
随着工业技术的发展与需求，在许多工业应用中，如飞行器、发动机、汽车、高速列车、桥梁、船舶以及生物医学等，其材料和结构经常面临着高频低幅载荷，承受重复载荷次数可高达千兆周次，因此对其构件的疲劳设计寿命要求通常要达到108周次，甚至是1010周次[1-5]。这涉及到超长寿命疲劳Super Long Life Fatigue (SLLF)，也被称为Very High Cycle Fatigue（VHCF）[6-9] 、Gigacycle Fatigue（GCF）[6,7,10]或者Ultra High Cycle Fatigue（UHCF）[11,12]。日本新干线高速列车在10年服役期内大约经历109应力循环，涡轮机叶片在20年服役期内要经历1010次振动，车轮在30000 km的行程中大约经历3×108周次应力循环。现在通用的疲劳设计规范都是以107方循环的低周疲劳数据建立的，远远低于109~1012周次的超长寿命的要求。近期研究[13-15]指出，大多数材料包括金属合金在达到109周次及其以上时仍会破坏，超高周疲劳现象往往是材料内部缺陷处萌生裂纹的结果。由于超高周疲劳发生在传统疲劳极限以下，因此研究超高周疲劳行为不仅对疲劳设计具有指导意义，而且更有助于深入理解疲劳的本质，尤其是对裂纹起源和萌生的认识。
1.2 国内外研究历史与现状
1.2.1  国外研究历史与现状
超高周疲劳，或者说在传统意义的疲劳极限之下发生的疲劳断裂现象，首先是在高强钢和表面强化钢中发现的。
1982~1989年，日本的Naito[16]、Asami[17]等使用频率50Hz的旋转弯曲疲劳试验机分别对渗碳处理的Cr-Mo钢、渗碳处理的Cr钢和Ni-Cr-Mo高强度钢进行了107~109周次应力循环的疲劳试验研究，发现这些材料在107周次以前，疲劳裂纹萌生于表面，在107周次以后，疲劳裂纹萌生于内部非金属夹杂物，并伴有鱼眼裂纹特征。这些材料的S-N曲线为阶梯下降的形状，传统的疲劳极限出现在107周次以前，是受表面裂纹萌生及扩展机制控制的。
1990~1997年，Kuroshima[18]和Nakamura[19]等对几种高强度钢从表面破坏(由表面裂纹引起的)向内部破坏(内部裂纹引起的)的转移条件进行了研究，研究的结果表明材料的表面状态对转移应力幅值有着一定的影响。Kuroshima等[20]还尝试推测内部裂纹的萌生时期，指出了表面与内部两种破坏的寿命差异可能与裂纹扩展的环境有关，即表面裂纹扩展是在空气中发生，而内部的扩展是在真空中发生。
1997年以后，超高周疲劳行为的研究受到日本更多研究者们的关注。Sakai教授代表日本材料强度概率模型研究会，组织了十几所大学的疲劳研究者使用相同形状的试样和为此项研究而开发的52.5Hz四连式旋转弯曲疲劳试验机(可同时进行四根试样的试验)和80Hz四轴拉压疲劳试验机(可同时进行四根试样的试验)，开展了三个不同强度等级的高强度钢 (高碳铬轴承钢 (JIS SUJ2，HV=778)、Ni-Cr-Mo(JIS SNCM439，HV=639) 和高温回火的Cr-Mo (JIS SCM435，HV=328，相当于我国的35Cr-Mo钢) 钢的107~109超高周疲劳的孚刃曲线特性、概率模型和破坏机理的研究，在日本掀起了超高周疲劳研究的热潮。
按照线弹性断裂力学的理论，一般低于门槛值对应的较小尺度的内部夹杂物周围不会形成可扩展的裂纹，可是对于强度等级相对较高的高强度钢则不然。这己成为疲劳断裂研究者关心的一个热点。Murakami等[2]使用金属显微镜和原子力显微镜详细地观察了低温回火的Cr-Mo钢 (JIS SCM435)的Giga-fatigue破坏的断口，发现萌生内部裂纹的夹杂物周围，存在一个粗糙形貌的区域(ODA，Optically Dark Area)。Murakami等认为在材料的制造过程中夹杂物捕获了氢，ODA是氢在长期的交变应力作用下形成的氢脆破坏，它是材料内部环境因素引起的。当裂纹成长的第一阶段完成后，氢的作用消失，断口上才出现通常的平滑疲劳裂纹。Furuya等[23]在研究加载频率对高强度钢疲劳行为的影响时发现，加载频率对ODA的大小没有影响，他们认为ODA的形成可能与氢有关，但破坏机理与氢脆不同。Shiozawa等[21,22]使用电子显微镜、金属显微镜和电子探针显微镜等观察了高碳铬轴承钢和Ni-Cr-Mo合金钢的Giga-fatigue破坏断口时也发现了同样的现象。Shiozawa等[24]还发现，夹杂物周围形成的粗糙区是组织中碳化物从基体剥离引起的，但碳化物的剥离机理还不清楚。在超高周疲劳研究被提出以前，Murakami方程一直被用于评估由夹杂物和缺陷等引起疲劳破坏的高强度钢和合金钢的疲劳强度，并被纳入日本的疲劳设计规范。可是研究证明[21,22]，在Giga-fatigue区，对于带有ODA的夹杂物，使用Murakami方程评估材料超高周疲劳强度是偏于危险的。
使用常规疲劳试验机去完成超高周疲劳的研究需要更多的时间和费用，更不可能完成109周次以上的疲劳试验。于是以Bathias和Stanzl-Tschegg为代表的欧洲学者，开发了20-30kHz的超声疲劳试验机。从1990年开始，Bathias等开始对多种金属包括钦合金 (环境温度效应[25]、裂纹扩展行为[26]和组织影响团[27]、镍基合金 (高温裂纹的萌生与扩展性为[28]) 和各种钢铁材料[29-32] (球墨铸铁、低碳钢、弹簧钢、轴承钢、轨道钢和不锈钢等)对寿命范围从109~1010周次的疲劳行为进行了系统的研究，提出了金属材料在超高周区域不存在传统的疲劳极限[33]。在同一时期，Stanzl-Tschegg等对钦、铝合金在超高周区域的裂纹扩展行为进行了研究。Stanzl-Tschegg总结了这些研究成果[15,34]后指出，Giga-fatigue寿命区的表面裂纹扩展速度极低，低于传统定义的门槛值的裂纹扩展速度，并且裂纹扩展是不连续的;在真空环境下超声疲劳的表面裂纹扩展速度与常规疲劳试验的裂纹扩展速度相同;在裂纹扩展的过程中空气是有害的，它加快了裂纹扩展速度。超声疲劳试验机的开发，不仅为材料的超高周疲劳研究提供了方便，而且也使109周次以上的疲劳试验成为可能。但由于加载频率效应的影响，目前只能用于定性研究，还不能完成定量研究。由于超高周疲劳裂纹大多发生在材料内部，所以对超声疲劳引起的加载频率和试验材料发热对超高周疲劳性能的影响的阐明非常困难，目前还未见关于这方面的系统研究成果的报导。由于超声试验存在上述缺点，于是，MTS公司和日本的路宫制作所分别开发了1000kHz的油压和300~600kHz电磁力超高频疲劳试验机，但基于这类试验机的相关研究成果报导很少，300~1000kHz的加载是否存在加载频率和试样发热影响还不清楚。另外，目前疲劳研究者们使用的超声疲劳试验机基本都是各自开发的，超声疲劳试验标准还需要统一。
综上所述，超声疲劳研究因该在统一的试验标准下进行，在保证对试验材料进行有效的冷却条件下，必须考虑加载频率的影响，才能保证试验结果的准确性。在没有掌握加载频率和试验材料发热对超高周疲劳性能的影响规律的情况下，高频和超声疲劳试验研究应该在可能的寿命范围内(N≤109周次)与常频试验结果进行对比研究。
2.2  国内研究历史与现状
我国是继日本、欧洲国家(法国、奥地利、德国等)和美国后，开展超高周疲劳研究比较早的国家，1990~2000年期间，我国的疲劳研究者有20多人曾先后在法国Bathias的实验室留学和工作过，例如，北京航空航天大学的倪金刚、西南交通大学的孔样安、西北工业大学的陶华、薛红前和四川大学的王清远等，他们为超声疲劳的研究做了很多重要的工作，取得了大量的研究经验[1,4,29,30]。
2000年以后，随着国内对超高周疲劳研究的重视，超声疲劳的研究取得了一定的进展。中科院沈阳金属所的张继明等[42]开展了有、无夹杂物的高强度结构钢42Cr-Mo和含有不同尺寸夹杂物的汽车用弹簧钢Si-Cr-V的超高周疲劳研究，阐明了有、无夹杂物和夹杂物尺寸对高强度钢疲劳裂纹萌生的影响。另外，该所的许道奎等研究了结构用挤压加工美合金ZK60的超高周疲劳行为，阐明了材料的S-N曲线特性和疲劳裂纹萌生行为[43]。西北工业大学薛红前，于2006年在中法联合培养下，完成了关于“超声振动载荷下材料的超高周疲劳性能研究”的博士论文[44]。论文指出，超声频率和较高的加载应力幅值会引起材料内部温度的升高，是影响疲劳寿命的主要原因;改进试样形状可以减轻材料内部温度的升高。但如何通过适当的冷却手段解决超声疲劳试验中试样发热等问题却没有提及。西南交通大学的王弘等也应用超声疲劳技术，对50钢和40Cr钢进行了超高周疲劳的研究，分析了缺口应力集中和平均应力对钢疲劳性能的影响，提出了描述超高周疲劳裂纹萌生的“点缺陷沉淀机理”[45]。
为了避免超声频率和试样发热带来的问题，中科院力学所的周承恩等使用了52.5Hz四连式旋转弯曲疲劳试验机研究了GCr15轴承钢超高周疲劳行为[46]，但该研究没有对裂纹萌生行为作深入的考察，也没有与同牌号国外钢的既有的研究结果进行比较，因此，对以GCr15轴承钢为代表的高强度钢性能改进的条件尚不清楚。
二、研究方法和技术路线
1 研究方法
利用光学显微镜、扫描电镜、旋转弯曲疲劳试验机等实验与理论相结合的方法
利用旋转弯曲疲劳试验机对2Cr13钢进行超高周疲劳试验，分别在空气与3.5%NaCl腐蚀液环境下进行，以所加载荷为变量，做出在不同应力下的疲劳寿命，然后利用所得数据做出S-N曲线。对疲劳断裂断口进行扫描电镜观察，分析裂纹萌生与扩展机理。在实验过程中，用醋酸显微试纸对试样中间段在不同寿命时间进行临摹，对裂纹的扩展进行检测，搜集数据，进行裂纹扩展速率的分析。
2 技术路线

三、存在的问题
汽轮机转子钢2Cr13钢在腐蚀环境下的超高周疲劳寿命问题
四、总结
最近十几年以来，我国在航空、航天和高速铁路建设领域发展迅猛，急需解决金属材料超高周寿命区的抗疲劳问题，只有系统的开展金属材料的超高周疲劳的研究，才能保证现代机械和大型结构长期使用的安全可靠，也能对现有的高龄化机械和结构的剩余寿命做出安全可靠的评估。
五、参考文献
[1]   Wang Q Y, Berard J Y, Dubarre A, Baudry G, Rathery S, Bathias C. Gigacycle fatigue of ferrous alloys [J], Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 1999,22(8): 667-672.
[2]   Murakami Y, Nomoto T, Ueda T, Murakami Y. On the mechanism of fatigue failure in super long life regime (N>107cycles) [J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2000, 23 (11), 893-910.
[3]   Sakai T, Takeda M, Shiozawa K, et al. Experimental Evidence of Duplex S-N Characteristic's in Wide Life Region for High Strength Steels [C].7th International Fatigue Congress (Fatigue '99), Beijing, 1999:573-578.
[4]   Wang Q Y, Bathias C, Kawagoishi N, et al. Effect of inclusion on subsurface crack initiation and gigacycle fatigue strength [J]. International Journal of Fatigue, 2002, 24(12):1269-1274.
[5]   Bathias C, Paris C P. Gigacycle fatigue in mechanical practice [J]. Marcel Dekker Inc, New York, 2004.
[6]   Xue H Q, Tao H, F Montembault F, Wang Q Y, Bathias C. Development of a three-point bending fatigue testing methodology at 20 kHz frequency [J]. International Journal of Fatigue, 2007, 29 (9-11):2089-2093.
[7]   Wang Q Y, Kawagoishi N, Chen Q. Effect of pitting corrosion on the very high cycle life fatigue behavior [J]. Scripta Materialia, 2003, 49(7):711-716.
[8]   Shiozawa K, Lu L T, etc. Very high cycle fatigue properties of bearing steel under axial loading condition [J]. International Journal of Fatigue, 2009, 31(5): 880-888.
[9]   Roth L D. Ultrasonic Fatigue Testing, Metals Handbook [M]. Ninth Edition, ASM, Metals Park, Ohio, USA, 1987, 8:240-257.
[10]  Prasannavenkatesan R, Zhang J X, McDowell D L, etc. 3D modeling of subsurface fatigue crack nucleation potency of primary inclusions in heat treated and shot peened martensitic gear steels[J]. International Journal of Fatigue, 2009, 31 (1):1176-1189.
[11]  Davidson D L. Fatigue crack growth at high R-ratio in Ti-6Al-4V at 1.5 kHz: The effect of periodic removal of mean stress, in fatigue behavior of Titanium alloys [J]. Boyer R, Eylon D, Gallagher J P, Lütjering G, eds, TMS, Warrendale, PA, 1999.
[12]  Wang Q Y, Kawagoishi N, Chen Q. Fatigue and fracture behaviour of structural Al-alloys up to very long life regimes [J]. International Journal of Fatigue, 2006, 28 (11): 1572-1576.
[13]  Stanzl-Tschegg S E. High-Cycle Crack Growth in the Paris and Threshold Regime at Ultrasonic Frequencies[C]. In: Soboyejo W O,Srivatsan, Editors. High Cycle Fatigue of Structural Materials, TMSASM Symposium Proceedings in Honor of P. Paris. TMS, Warrendale, 1997, 211.
[14]  Nishijima S, Kanazawa K. Stepwise S-N curve and fish-eye failure in gigacycle fatigue[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures 1999, 22:601-607.
[15]  Stanzl-Tschegg S E.Fatigue crack growth and thresholds at ultrasonic frequencies[J]. Internation-
al Journal of Fatigue, 2006, 28: 1456-1464.
[16]  Naito T, Ueda H, Kikuchi M. Observation of fatigue fracture surface of carburized steel. J. Soc. Mat. Sci., 1983, 32: 1162-1166.
[17]  Emura H, Asami K. Fatigue strength characteristics of high strength steel. Trans. JSME, Part A, 1989, 55: 45-50.
[18]  Kuroshima Y, Saito Y .Shimizu M.et al. Relationship between Fatigue Crack Propagation Originating at Inclusion and Fracture-Mode Transition of High-Strength Steel, Trans. JSME, PartA,Vol.60,No.580,1994:2710-2715.(in Japanese)
[19]  Nakamura T, Kaneko M, Tanabe T.et al. Cause of the second drop of the S-N diagram of ADI after leveling off, Trans.JSME,PartA,Vol.61，No.582，1995:441-446(in Japanese).
[20]  Kuroshima Y, Ikeda T, Harada M.et al. Subsurface Crack Growth Behavior on High Cycle Fatigue of High Strength Steel,Trans.JSME,PartA,Vol.64,No.626,1998:2536-2541.(in Japanese)
[21]  Shiozawa K, Lu L, Ishihara S. S-N curve characteristics and subsurface crack initiation behaviour in ultra-long life fatigue of a high carbon-chromium bearing steel. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2001, 24: 781-790.
[22]  Shiozawa K, Lu L. Very high-cycle fatigue behaviour of shot-peened high-carbon-chromium bearing steel, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2002, 25: 813-822.
[23]  Furuya Y, Matsuoka S, Abe T, et al. Gigacycle fatigue properties for high-strength low-alloy steel at 100 Hz, 600 Hz, and 20 kHz. Scripta Mater., 2002, 46(2):157-162.
[24]  Shiozawa K, Morii Y, Nishino S, Lu L. Subsurface crack initiation and propagation mechanism in high-strength steel in a very high cycle fatigue regime, International Journal of Fatigue, 2006, 28: 1521-1532.
[25]  Wu T. Y, Jago G, Bechet J. et al. Accelerated vibratory fatigue test by ultrasonic frequency at cryogenic temperature, Engineering Fracture mechanics,Vol.54,No.6,1996:891-895.
[26]  Bathias C, EL Alami K, Wu T.Y. Influence of mean stress on Ti6A14V fatigue crack growth at very high frequency, Engineering Fracture Mechanies,Vol.56,No.2,1997:255-264.
[27]  Jago G, Beehet J. Influence of microstructure of (α + β)Ti-6.2.4.6 alloy on high- cycle fatigue and tensile test behavior, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, Vol.22, 1999: 647-655.
[28]  NI J G. Fatigue crack growth under ultrasonic fatigue loading. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 1997, 20:23-28.
[29]  Wang Q Y, Kawagoshi N, Chen Q. Fatigue voids in structural Al-alloys under high-frequency cyclic loading. Journal of Materials Science, 2004, 39(1):365-367.
[30]  Wang Q Y, Bathias C. Fatigue characterization of a spheroidal graphite cast iron under ultrasonic loading. Journal of Materials Science, 2004, 39(2):687-689.
[31]  Marines I, Dominguez G, Baudry G. et al. Ultrasonic fatigue tests on bearing steel AISI-SAE 52100 at frequency of 20 and 30 kHz, Int. J. Fatigue,Vol.25, 2003:1037-1046.
[32]  Sun Z. D, Bathias C, Baudry G. Fretting fatigue of 42CrMo4 steel at ultrasonic frequency, Int. J. Fatigue, Vol.23,2001:449-453.
[33]  Bathias C.There is no infinite fatigue life in metallic materials. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 1999, 22: 559-565.
[34]  Stanzl-Tschegg S.E. Fracture mechanisms and fracture mechanics at ultrasonic frequencies, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures,Vol.22,1999:567-580.
[35]  Tao H. A review of ultrasonic fatigue research. Aeronautical Science and Technology, 1997, (6): 23-26(In Chinese)            
[36]  陶　华. 超声疲劳研究.航空学报,1998,19(2):228~230.
[37]  NI J G. Fatigue crack growth under ultrasonic fatigue loading. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 1997, 20:23-28.
[38]  王　弘,高　庆. 40Cr钢超高周疲劳性能及疲劳断口分析[J]. 中国铁道科学, 2003, 24(6):   93 – 98.
[39]  闫桂玲,王　弘,高　庆.超声频率加载下50#车轴钢超长寿命疲劳性能研究[J].中国铁道科学, 2004, 25(2): 78-81.
[40]  鲁连涛,张卫华.高碳铬轴承钢的超长寿命疲劳行为的研究, 机械工程学报, 41(10), 2005: 143-148.
[41]  鲁连涛,盐泽和章,森井右一,西野精一.高碳铬轴承钢超长寿命疲劳破坏过程的研究, 金属学报, 41 (10), 2005:1066-1072.
[42]  张继明,杨振国,张建锋,等.零夹杂42CrMo高强钢的超长寿命疲劳性能[J]. 金属学报, 2005, 41(2): 145-149.
[43]  许道奎,彭林,刘路,徐永波等. 热处理条件对锻造ZK60-Y镁合金力学性能的影响 [J]. 材料研究学报,2005,19(6):573- 580.
[44]  薛红前，陶华.超声振动载荷下材料的超高周疲劳性能研究[D]. 西北工业大学.
[45]  王弘，高庆.40Cr钢和50车轴钢超高周疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨[D].
[46]  周承恩,洪友士.GCr15钢超高周疲劳行为的实验研究[J]. 机械强度, 2004:26(S):157-160.











姓名：荆炀  学号：122080706007  石油化工学院化工机械