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背景简介

高强度钢和超高强度钢的高周疲劳（HCF）性能很大程度上受到材料缺陷敏感性的影响。即使是微小的固有缺陷，如非金属夹杂物、孔隙和碳化物，以及加工缺陷，如车削凹槽和划痕，或环境引起的缺陷，如腐蚀坑，都可能导致裂纹的萌生和失效。在HCF状态下，循环载荷的最大尺寸对疲劳强度起着关键作用。通常，在没有高残余压缩应力（如通过喷丸处理引入）的情况下，HCF状态下的失效源通常位于表面。然而，在超高周疲劳（VHCF）工况下（即超过10⁷周次），裂纹倾向于在内部萌生。在锻造合金中，与铸件或增材制造材料相比，孔隙率较低，而非金属夹杂物（如氧化物、硫化物和氮化物）是内部失效较常见的原因。在洁净钢中，即使非金属夹杂物尺寸非常小，疲劳裂纹的萌生位置也可能是碳化物或微观结构不均匀的区域。如果内部裂纹萌生位置没有明显的固有缺陷，裂纹源通常表示为基体或刻面，有时称为“非夹杂物诱导裂纹萌生”。对于马氏体钢，软铁素体在硬贝氏体/马氏体基体中被发现对疲劳性能有害。然而，与尺寸容易被确定的夹杂物相比，软相在较硬的基体中分布更稀疏或更密集，如何量化它们对疲劳强度的有害影响是一个待解决的问题。

超声疲劳测试是研究HCF和VHCF状态下材料性能的一种成熟方法。相比于传统测试方法，超声疲劳测试能够在相对较短的时间内完成高达甚至超过十亿循环周次的试验。然而，由于高循环频率的影响，测量得到的疲劳寿命和疲劳强度可能会受到一定程度的影响。因此在本研究中，研究了珠光体钢R350HT在HCF和VHCF工况下的失效机制。在应力比R=-1和0.1的条件下，对精车削、机械抛光和电解抛光的样品进行传统伺服液压疲劳试验（45-50 Hz）和超声疲劳试验（19 kHz），研究了表面粗糙度、残余应力和测试频率对疲劳寿命和疲劳极限的影响。

成果介绍

（1）图1为机械抛光样品与精车和电解抛光样品的S-N曲线图。可以发现与精车和电解抛光样品相比，机械抛光样品的疲劳强度略有增加。这种现象一方面是因为表面粗糙度（车削凹槽）降低了，另一方面表面压缩残余应力仍然存在。但是仅在负载比R = 0.1时才能观察到内部失效，而在R = -1时则观察不到内部失效（尽管在高达574 MPa的应力幅值下进行了超过10¹⁰周次的测试）。在10⁶和10⁹周次之间，R = 0.1的条件下，裂纹萌生于内部，形成典型的鱼眼形断口形貌（见图2）。在萌生区域可以观察到 ODA（光学暗区），但看不到夹杂物，而ODA内的光滑区域可以在高倍图像（用红色虚线标记）上区分，这些区域已被识别为铁素体相。当铁素体区是断裂起点时，观察到频率效应。

图1 应力比R = -1和0.1时机械抛光样品的S-N曲线（精车削和电解抛光样品的结果用较小的符号绘制以进行比较）

图2 内部失效的机械抛光样品的断口形貌：(a) σ_a = 380 MPa (N_f = 4.18×10⁶，R = 0.1)和 (b) σ_a = 360 MPa (N_f = 1.81×10⁸，R = 0.1)

（2）使用含小孔（直径和深度为50 μm）的电解抛光样品研究了应力比的影响。这些人造表面缺陷被引入到每个试样的标距段部分，以产生明确的裂纹萌生位置，从而减少疲劳寿命和疲劳极限的分散。超声疲劳试验在应力比为R = −1、0.1和0.3时进行，疲劳极限σ_w定义为在至少109周次没有失效的最高应力幅。结果如图3所示，确定的疲劳极限为σ_w = 420 MPa (R = -1)、320 MPa (R = 0.1) 和260 MPa (R = 0.3)。在R = -1时通过伺服液压 (20 Hz) 和超声波疲劳测试 (19 kHz) 获得的疲劳寿命和疲劳极限具有较好的可比性。

图3 在应力比R = -1、0.1和0.3下，具有直径和深度为50 μm小孔的电解抛光样品的S-N曲线

（3）对R = 0.1，N_f = 1.81×108的内部失效试样通过FIB技术观察了断口以下的显微结构，如图4所示。在断口处可以观察到具有细晶粒的薄铁素体区，这与珠光体基体明显区分。EBSD-IPF图像可以观察到一些孤立的铁素体晶粒，但铁素体晶粒尺寸比低疲劳寿命的试样要小。而且，断口表面似乎比在较短的循环周次中形成的更不规则。对从金相样品中获取的20张光学显微镜图像进行了分析，每个金相图中最大的沉淀物、非金属夹杂物（主要是硫化物夹杂物，边界上有一些氧化物）或两者的组合以及最大的铁素体面积均被识别并根据平滑轮廓内面积的平方根确定，然后基于极值统计缺陷尺寸分析结果，如图5所示。

图4 采用FIB技术分析内部裂纹萌生位置（ODA）以下的微观结构（σ_a = 360 MPa，N_f = 1.81×10⁸，R = 0.1）

图5 基于极值统计的夹杂物和析出物以及铁素体区尺寸分析

（4）通过Murakami 和 Endo提供的存在小缺陷（尺寸大于临界缺陷尺寸）时的模型进行了简单的疲劳寿命预测，如图6所示。对于内部失效，该模型的成功应用还说明将铁素体区当作缺陷（或裂纹）处理的方法是合适的。在传统疲劳循环频率下，可以预测VHCF工况下内部失效的疲劳极限（与表面HCF失效类似）比超声疲劳频率下低约10%。机械抛光的试样在表面表现出残余压应力，因此内部必须存在残余拉应力以满足平衡条件，而与试样的总横截面相比，压应力的面积较小，因此相平衡的拉应力较低。严格来说，叠加的残余拉应力会导致载荷比略高，因此导致预测疲劳极限较低。对于R = -1时缺乏内部失效的一个可能的解释可能是，在高平均应力作用下，孤立的铁素体晶粒中形成的裂纹更容易相互作用。

图6 归一化应力幅值σ_a /σ_w与失效循环周次N_f的关系

致谢

作者衷心感谢K2中心 “集成计算材料、工艺和产品工程”（IC-MPPE）（项目号：886385）内 COMET计划范围内的财政支持。该计划得到了以奥地利研究促进局 (FFG) 为代表的奥地利联邦气候行动、环境、能源、交通、创新和技术部（BMK）以及劳工和经济部（BMAW）以及奥地利联邦各州的支持。由欧盟共同资助（项目号：101058179; ENGINE）。本文第一作者：Mahjoubeh Sistaninia（Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL), Leoben, Austria），通讯作者：Bernd M. Schönbauer（Institute of Physics and Materials Science, University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna, (BOKU), Austria）。

本期小编：     王永杰（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

王永杰（发布）