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引文格式：
Schönbauer B M, Ghosh S, Karr U, et al. Mean-stress sensitivity of an ultrahigh-strength steel under uniaxial and torsional high and very high cycle fatigue loading[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2022.
Schönbauer, Bernd M., et al. "Mean-Stress Sensitivity of an Ultrahigh-Strength Steel under Uniaxial and Torsional High and Very High Cycle Fatigue Loading." Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures (2022).
Schönbauer, B. M., Ghosh, S., Karr, U., Pallaspuro, S., Kömi, J., Frondelius, T., & Mayer, H. (2022). Mean-stress sensitivity of an ultrahigh-strength steel under uniaxial and torsional high and very high cycle fatigue loading. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures.
背景简介
载荷比对各种材料疲劳强度的影响已被广泛研究。然而，大多数研究都局限于低周和高周疲劳（HCF）阶段，且大部分实验都是在单轴载荷下进行的。在过去的几十年里，重点研究了平均拉伸应力对超高周疲劳（VHCF）性能的影响。在VHCF阶段，钢的断裂通常与内部裂纹萌生有关，平均应力对现存的断裂机理起着重要的作用。例如，近年来对扭转载荷作用下叠加剪应力的影响的研究表明，在扭转载荷下很少观察到内部裂纹的萌生，而在正载荷比下的VHCF普遍存在这种断裂模式。此外，一些研究表明，在单轴载荷下循环寿命超过108次时，只有在正载荷比下才能观察到断裂源于内部。
高强和超高强钢的疲劳强度通常与最大或最有害的固有缺陷大小相关。由于材料的缺陷容限较低，即使是几微米大小的缺陷也会导致疲劳极限的降低。最常观察到的断裂来源是非金属夹杂物，如铝酸盐、氮化物或硫酸盐。此外，马氏体基体中的贝氏体或铁素体等软组织相、晶界或任何其他足以引发疲劳裂纹的固有缺陷都可能影响疲劳强度。这样的小缺陷通常可以被认为与（小）裂纹的行为类似。因此，通过将缺陷的应力强度因子范围与适当的阈值联系起来，可以应用断裂力学原理来预测疲劳极限。存在小缺陷的情况下，疲劳极限最广泛使用的预测方法是村上提出的√area参数模型。这种简单的方法允许基于与尺寸相关的应力强度因子门槛值来预测疲劳极限，该应力强度因子门槛值仅由两个参数计算：材料的硬度和缺陷垂直于主应力方向的投影面积平方根，即√area。
本文进一步研究了疲劳寿命、平均应力和加载条件对失效的影响。采用超声疲劳试验技术，在R = -1 ~ 0.5的不同载荷比下，进行了循环周次1010以上的单轴和扭转疲劳试验。
成果介绍
（1）在单轴和扭转载荷下，疲劳寿命低于2×105周次，裂纹主要在表面铝酸盐(非金属夹杂物)或凹坑处产生。在单轴载荷作用下，高循环周次阶段，内部铝酸盐处裂纹萌生是主要破坏机制。在拉伸压缩加载时， VHCF失效也观察到源自表面裂纹产生。在循环周次106次以上,不同载荷比的扭转载荷作用下，拉伸硫化钢的破坏均以剪切裂纹萌生为主。在VHCF阶段、R = 0.3和0.5时，两个试样从内部破坏。与光滑试样相比，用含有预制表面缺陷的试样可以清楚的确定低于2×105周次阶段的曲线拐点的疲劳极限（图1）。
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图1 含有100 μm孔的试样的测试结果
（2）当断裂机制为缺陷处萌生 Ⅰ 型裂纹时，单轴和扭转载荷下的疲劳极限相等，分别为σw和τw。这与以前的研究结果不同，其中τw/σw 在存在有害缺陷的情况下为 0.85（图2）。对这种偏差的可能原因是所研究的钢具有极高的强度。
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图2 归一化应力幅（σa/σw和τa/τw）随失效对应循环次数的变化情况：（A)单轴和（B)扭转
（3）采用√area-参数模型可以分别预测存在表面缺陷√areatrans,s=82 μm和内部缺陷√areatrans,i==139 μm时单轴和扭转载荷下的疲劳极限。对于小缺陷, 疲劳极限由公式（1）确定，对于较大的缺陷，疲劳极限可以与一个恒定的门槛值-应力强度因子范围相关联，如式（2）所示。如果忽略环境空气的腐蚀影响，对存在铝酸盐夹杂物或凹坑等表面缺陷的预测是高度准确的；对于内部夹杂物的失效，确定的疲劳极限约为1010，比预测的约低15%。
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（4）在单轴加载条件下，大多数试样在断口处均观察到非金属夹杂物（图3、图4）。EDX分析表明，这些夹杂物为铝酸钙Al2O3-CaO。硫含量的增加表明铝酸盐被钙硫化物包裹，这两种夹杂物似乎都是裂纹萌生的部位，虽然表面夹杂物是主要的（这可以根据它略大的尺寸和它在表面的位置来说明）。
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图3 单轴载荷作用下疲劳断裂的原因（铝酸盐夹杂物或残留坑）：表面与内部夹杂物，R= -1，σa = 625 MPa, Nf = 1.60×106
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图4 单轴加载疲劳断裂的原因（无铝酸酯夹杂）：（A）无夹杂的内部破坏，R = -1，σa = 700 MPa，Nf = 1.24×109，（B）内部不含夹杂，R = 0.05，σa = 425 MPa，Nf = 8.52×109
致谢
该研究获得了奥地利科学基金（FWF）的项目编号P 29985-N36以及芬兰科学院的钢铁基因组计划（Profi3）项目编号#311934的资金支持。本文通讯作者：SCHöNBAUER B M（ Institute of Physics and Materials Science, University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna (BOKU), Austria）。
本期小编：孙钱涛（整理）
闵 琳（校对）
舒 阳（审核）
闵 琳（发布）
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