Mayer H, Fitzka M, Rennhofer H, et al. Ultrasonic fatigue of cast aluminium under cyclic compression and of superelastic Nitinol in the synchrotron[J]. International Journal of Fatigue, 2025: 109009.
Mayer, Herwig, et al. "Ultrasonic fatigue of cast aluminium under cyclic compression and of superelastic Nitinol in the synchrotron." International Journal of Fatigue (2025): 109009.
Mayer, H., Fitzka, M., Rennhofer, H., Lichtenegger, H. C., Checchia, S., Rödl, F., Becker J., & Lauer, F. (2025). Ultrasonic fatigue of cast aluminium under cyclic compression and of superelastic Nitinol in the synchrotron. International Journal of Fatigue, 109009.
背景简介
超声疲劳测试（Ultrasonic fatigue testing，UFS）凭借高频特性，可大幅缩短测试时间，已成为超高周疲劳（Very High Cycle Fatigue, VHCF）领域的重要研究手段，能够有效评估材料在1010次循环以上的疲劳极限。尽管目前已有大量针对循环拉压或拉伸载荷（如应力比R=−1或R=0）的研究，但针对纯循环压缩载荷（如R=−∞）下材料疲劳行为的研究仍相对匮乏。对于铸造铝合金（如AlSi8Cu3-T6），因内部气孔、氧化物等缺陷易成为裂纹萌生源，传统研究未充分揭示其在纯压缩循环下的损伤机制（如剪切裂纹、滑移带演化），且高温环境（如150℃）对其疲劳性能的影响尚不明确。
超弹性镍钛合金用于医疗植入物时需承受数十亿次循环载荷，但其VHCF研究数据匮乏，且多相状态（奥氏体-马氏体相变）在超声频率下的变形行为与传统低频测试的一致性未知。同步加速器原位试验可实时监测晶格变形和相变，为揭示疲劳损伤机制提供关键手段。本研究探究了不同载荷比下的铸铝合金AlSi8Cu3-T6的疲劳裂纹萌生行为，并将疲劳数据与采用Goodman曲线和FKM准则的预测值进行了比较。本研究还通过超声疲劳测试结合同步加速器原位观测，系统探究了多相状态超弹性镍钛合金的疲劳行为。
成果介绍
（1）在150℃下对铸铝合金进行了不同载荷比（循环拉伸、拉压、压缩）的超声疲劳测试，结果如图1所示。左上角和右上角分别为循环拉伸和拉压载荷下的测试结果，发现疲劳裂纹主要萌生于孔隙或表面无材料缺陷迹象的位置。左下角为循环压缩载荷条件下的疲劳试验数据，发现疲劳裂纹主要萌生于表面，且该条件下S-N数据的离散性最小。右下角图为对比三种载荷比条件下的疲劳试验数据结果。其结果表明，所有载荷比条件下，该材料均未表现出109次循环内的疲劳极限。
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图1 在150℃下铸铝合金AlSi8Cu3-T6的S-N数据，包括循环拉伸（左上）、循环拉伸-压缩（右上）、循环压缩（左下）和数据比较（右下）
（2）循环拉伸和拉压条件（R=0和R=-1）下的疲劳断口如图2所示，试样主要萌生于孔隙处。然而循环压缩载荷下的失效模式与R=0和R=-1时完全不同，试样失效并非表现为断裂成两半，而是沿轴向突然凹陷数十微米，且断口表面严重变形且氧化，无法提取有意义的信息。图3显示了循环压缩失效后镜面抛光试样的表面（垂直于加载方向观察），可见大量滑移带，其取向通常与试样加载方向呈35° ~ 40°角，而且发现样品内部存在数百微米的短裂纹。这些裂纹通过循环剪切扩展，其中主裂纹为锯齿状且取向与加载方向呈45°或垂直，并且不同区域滑移活动差异显著。
Goodman直线预测的平均应力敏感性M=0.24与载荷比R=0时的试验结果完全吻合，但其外推至负平均应力时预测R=-∞的循环应力幅值为95 MPa，较试验值高估1.2倍；FKM准则建议的M=0.50远高于试验测定值，其预测的R=0应力幅值（48 MPa）较试验值低1.5倍，循环压缩载荷预测值（144 MPa）则较试验值高1.8倍。当前研究中铸铝AlSi8Cu3-T6在压缩平均应力下的低敏感性（M=0.09）与其他报道一致，铸造铝在R=-∞时整个载荷循环处于压缩状态，无法发生R=-1和R=0时类似的裂纹萌生及I型扩展，其损伤机制为强烈滑移活动和多剪切裂纹形成导致的大体积材料劣化。
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图2 R=0（左）时早期失效试样的裂纹萌生位置图像：σa=70 MPa，失效循环次数为1.5×106次；R =-1（右）时早期失效试样的裂纹萌生位置图像：σa=104 MPa，失效循环次数为1.1×106次
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图3 在σa = 90 MPa、R=-∞条件下测试的抛光样品表面的扫描电子显微照片，该样品在2.6×108次循环后失效（样品的长度方向是从上到下，表面垂直于加载方向）
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图4 109次循环时对应于50%断裂概率的应力幅，并与根据Goodman曲线和FKM准则的预测值进行比较
（3）图5显示了随载荷循环次数的变化的奥氏体和马氏体相的空间分布（上），以及分别拟合奥氏体（200）和马氏体（012）峰得到的晶格应变变化。镍钛合金预应变后初始状态为中心马氏体带与两侧奥氏体的多相结构，3×104次循环后马氏体区域中部分马氏体转变为奥氏体，且相位分布稳定，晶格变形在0至3×104次循环间显著增加（对应刚度提升），最终该试样于1.6×105次循环失效。这表明恒位移控制模式下的晶格变形突变与相变诱导的刚度变化直接相关。由于超声波疲劳试验采用恒定位移幅值进行，因此试样中从马氏体到强度较低的奥氏体的不可逆转变意味着在恒定位移幅值循环作用下会导致应力幅值随着循环周次的增加而增加。而较高的循环应力和静态应力会促进裂纹的萌生，这通常发生在所研究的镍钛合金中的夹杂物中。该研究验证了同步加速器进行原位超声疲劳试验可为疲劳损伤过程提供独特的见解。
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图5 奥氏体（200）和马氏体（012）相对于预应变试样的相分布（上）和晶格应变的演化（下），该试样在1.6×105次循环后失效（以27.5 μm位移幅进行循环）
致谢
这项工作得到了欧洲同步辐射装置和M. di Michiel在使用光束线ID15A方面提供的帮助和支持。本文第一作者和通讯作者：Herwig Mayer（BOKU University）。
本期小编 王永杰（整理）
董乃健（校对）
程 航（审核）
董乃健（发布）
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