背景简介

材料的疲劳性能测试主要是在循环拉伸-压缩或循环拉伸加载下进行的。Haigh或Smith图显示了大多数材料在不同载荷比下的疲劳极限，因此实验数据只支持载荷比R大于或等于-1的范围内。然而，在实际应用中，可能会出现循环加载叠加的压缩平均应力。压缩平均应力可以由部件的特定加载条件或压缩表面残余应力引起，如喷丸强化或磨削或表面硬化(如渗碳、氮化)机械引入。

在载荷比大于或等于−1的循环轴向和扭转载荷下，超高周疲劳(VHCF)中由夹杂物引起的断裂已经被研究过，而(高)平均压应力的影响迄今尚未被研究过。本文首次研究了高压缩平均应力对高强钢VHCF性能的影响。测试材料是轴承钢100Cr6(材料编号1.3505，SAE 52100，类似于JIS SUJ2)，它揭示了在长寿命阶段下夹杂物引发断裂的典型失效机制。关于平均应力对100Cr6 VHCF性能影响已有相关文献，但这些研究仅限于载荷比R≥−1。

在本论文中，进行了三个系列的超声S-N试验：在第一个试验系列中，一个载荷循环的最小应力达到材料的压屈服应力，σ_min = −2450 MPa。在第二个试验系列中，最小应力为压屈服应力的59%，σ_min =−1450 MPa。第三个试验系列为零平均应力(R =−1)，作为比较循环强度与VHCF损伤机制的参考。用于表征循环强度的极限寿命为10⁹次。超声波疲劳试验是进行VHCF试验最合适的技术，并用于本研究，测试技术以前已用于R≥−1的疲劳测试。在本研究中，首次采用超声疲劳试验进行了高频振动叠加压缩力大于13 kN的高压缩平均应力下的疲劳试验。

成果介绍

（1）当载荷循环的最小应力达到抗压屈服强度的59%时（σ_min =−1450 MPa），在低VHCF阶段存在疲劳极限和失效，裂纹萌生主要发生在夹杂体内部（图1）。将夹杂物视为初始裂纹，疲劳极限对应于从内部夹杂物开始的裂纹扩展到10⁹次断裂所需的K_max的最小值。最大应力强度因子K_max = ΔK_eff,th控制疲劳极限，本研究发现ΔK_eff,th为2.7±0.4 MPa·m^1/2（图2）。

图1 夹杂物处萌生裂纹(a) σ_a = 800 MPa, R = −1, N_f = 1.4×10⁸ 周; (b) σ_a = 1100 MPa, σ_min = −1450 MPa, N_f = 1.4×10⁷周; (c) σ_a = − 1425 MPa, σ_min = −2450 MPa, N_f = 6.6×10⁶ 周; (d) σ_a = 1425 MPa, σ_min = −2450 MPa, N_f = 9.5×10⁴ 周.

（2）当加载周期的最小应力与抗压屈服强度相当时，存在疲劳极限，不发生VHCF失效。如果将夹杂物作为初始裂纹，则在疲劳极限以下循环时，可能是初始裂纹的最大应力强度因子K_max太低，无法扩展到断裂（图2）。

图2 最大应力强度因子K_max随循坏次数的变化

（3）在三个试验系列中测量的循环强度可以在Haigh图中可视化（图3），并与外推到R < −1的Goodman直线(图3(a))和FKM准则的推荐值(图3(b))进行了比较。使用外推Goodman直线预测循环强度严重低估了循环强度(图3(a))。当σ_min =−1450 MPa时，预测疲劳极限应力幅值为1053 MPa；当σ_min =−2450 MPa时，预测疲劳极限应力幅值为1572 MPa。将根据FKM准则预测的结果与实测的1050 MPa (σ_min =−1450 MPa)和1438 MPa (σ_min =−1450 MPa)的循环强度进行比较，预测误差小于10%。

图3 Haigh图显示在10⁹次循环中50%失效概率；给出了根据(a) Goodman直线和(b) FKM准则的预测结果

致谢

本文通讯作者：Mayer H（University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna (BOKU), Department of Material Sciences and Process Engineering, Institute of Physics and Materials Science, Peter-Jordan-Str. 82, 1190 Vienna, Austria）。

本期小编：孙钱涛（整理）

徐浩波（校对）

王康康（审核）

闵　琳（发布）