背景简介

现代机器，如汽车发动机，实现了10⁸次循环的耐久性，船舶或高速列车的柴油发动机实现了10⁹次循环，而涡轮机的耐久性超过10¹⁰次。直升机减速器的循环寿命超过5000小时，相当于承受了10⁹次循环。因此，有必要描述超过经典极限10⁷次循环的范围内的超高周疲劳（VHCF）特性。在高载荷振幅下，LCF和HCF状态下疲劳裂纹倾向于从试件表面开始，其起因是位错滑移。在LCF中，通常有许多裂纹起始点，而在HCF中较低的加载振幅下，裂纹的数量较少，裂纹通常是在单一的位置开始。内部夹杂物产生的裂纹也可能发生，但是它们在这些机制中的出现相对罕见，而且大多没有寿命意义。在VHCF状态下，疲劳裂纹大多是从内部向表面扩展。

合金结构钢S355J2+N广泛应用于机械制造业中，例如汽轮机、农用机械设备、重工机械、工程机械设备。同时还在桥梁结构，建筑结构等钢结构设计中大量使用。因此，了解该材料在超高周阶段的起裂方式至关重要。本文使用超声振动疲劳试验机进行疲劳试验，该试验方法节省大量的时间成本，同时大量的研究证明了该方法的有效性。

成果介绍

（1）超声波测试系统的疲劳测试包括两个阶段。在第一个阶段，使用阶梯法确定疲劳极限（图1）。然后用Dixon-Mood公式计算疲劳极限的平均值和标准偏差（σ₀= 360 MPa, ∆σ= 10 MPa）。测试了21个试样，疲劳极限值被确定为S_f = 368±3.3 MPa。疲劳极限将疲劳数据划分为HCF和VHCF范围。

图1 S355J2钢的疲劳极限测试数据

在第二阶段，疲劳测试是在疲劳极限以上（13个试样，范围至400 MPa）和以下（8个试样，范围从200 MPa开始）进行的（图2）。上限被认为是400 MPa。

图2 S355J2钢在高周和超高周疲劳阶段的疲劳试验结果

（2）使用SEM显微镜（JEOL JSM-6480LV）对试样的裂纹进行了分析。确定了三种基本的试样裂纹类型（图3）。

图3 试样起裂特征与载荷的关系。

在390 MPa和400 MPa之间的试样的断裂表面与在拉伸条件下测试的韧性材料的典型杯冠状断裂面相当（图4a，图8a）。在断裂表面的中心，可以看到特征性的韧窝（图4b）。在330到380 MPa的中间范围内，断裂面几乎是平的，垂直于加载方向，与脆性破坏相似（图5，图8b）。试样表面的单一裂纹起始区域和疲劳条纹是可见的。沿着试样的表面都有穿晶的断裂区域。断裂面的末端显示出疲劳过载与韧性断裂。在10⁸次和10⁹次之间，有一个从HCF到VHCF的过渡。在较低的范围内，即从200到330 MPa，断裂表面非常复杂（图6，图7和图8c，d）。单个裂纹的起始点靠近试样表面。许多从这个位置开始的径向线（台阶）是可见的（图7a）。没有观察到鱼眼或次表面裂纹的发生。在部分表面可以看到疲劳条纹（图7c）。剪切塑性断裂区域（图7d）也可以在一些表面观察到，可能是由疲劳裂纹扩展引起的循环弯曲造成的。

图4 试样的SEM断口形貌图（400 MPa；280万次循环）

图5 试样的SEM断口形貌图（360 MPa；1200万次循环）

图6 试样的SEM断口形貌图（250 MPa；18亿次循环）

图7 试样的SEM断口形貌图（200 MPa；191亿次）（SEM的REF模式可以更好地观察断口形貌）

图8 使用Keyence VHX-7000数字显微镜从深度图中重建的三维断裂面：a）400 MPa；280万次循环；b）360 MPa；1200万次循环；c）250 MPa；18亿次循环；d）200 MPa；191亿次循环

本文通讯作者：Lipski A（Bydgoszcz University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Al. prof. S. Kaliskiego 7, PL 85-796 Bydgoszcz, Poland）。

本期小编：杨逸璠（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

闵　琳（发布）