高強(qiáng)度鋼超長(zhǎng)壽命疲勞行為及試驗(yàn)方法的研究

近年，對(duì)于加載次數(shù)在一千萬次以前被認(rèn)為擁有疲勞極限的材料，在加載次數(shù)超過一千萬次的超長(zhǎng)壽命區(qū)，疲勞破壞發(fā)生的可能性被確認(rèn)。這意味著既有的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范和壽命預(yù)測(cè)方法已經(jīng)不適用于超長(zhǎng)壽命的疲勞設(shè)備。因此，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家超長(zhǎng)壽命疲勞試驗(yàn)的實(shí)施和疲勞破壞機(jī)理的研究被作為重要的課題而提出。該研究對(duì)現(xiàn)有的以及不斷增加的高齡化機(jī)械設(shè)備和結(jié)構(gòu)物的安全可靠性評(píng)估，余壽命診斷技術(shù)和延命化技術(shù)的建立，新的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范的制定等具有重要的意義。在本研究里，使用2萬Hz超聲疲勞系統(tǒng)對(duì)高強(qiáng)度鋼進(jìn)行超長(zhǎng)壽命疲勞強(qiáng)度行為及試驗(yàn)方法的研究。明確材料內(nèi)部裂痕發(fā)生起點(diǎn)的破壞特征，闡明內(nèi)部破壞機(jī)理，將超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與近六年來申請(qǐng)者已經(jīng)積累的由普通機(jī)械疲勞試驗(yàn)機(jī)得到的同材料的超長(zhǎng)壽命疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，建立兩者的相關(guān)關(guān)系，修正超聲疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使超聲疲勞的研究定量化。

隨著人們對(duì)軸承研究的不斷深入，疲勞壽命及其可靠性作為軸承最重要的性能，已引起各軸承生產(chǎn)單位及相關(guān)用戶的廣泛關(guān)注。但由于影響其疲勞壽命的因素太多再加上軸承疲勞壽命理論仍需完善，進(jìn)行壽命試驗(yàn)無疑成為評(píng)定這項(xiàng)指標(biāo)的唯一有效途徑。低載荷、高轉(zhuǎn)速的常規(guī)壽命試驗(yàn)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且試驗(yàn)結(jié)果的可靠性差，而先進(jìn)的軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)方法的使用在我國才剛剛起步，應(yīng)用范圍有待進(jìn)一步擴(kuò)大。如何加強(qiáng)壽命試驗(yàn)技術(shù)的交流與合作，促進(jìn)軸承疲勞壽命快速試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，推廣軸承疲勞壽命快速試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，是今后很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)軸承行業(yè)面臨的問題。

在循環(huán)加載下，產(chǎn)生疲勞破壞所需的應(yīng)力和應(yīng)變循環(huán)數(shù)成為疲勞壽命。對(duì)實(shí)際構(gòu)件疲勞壽命常以工作小時(shí)計(jì)。構(gòu)件在出現(xiàn)工程裂紋以前的疲勞壽命稱為裂紋形成壽命或裂紋起始?jí)勖９こ塘鸭y指宏觀可見或可檢的裂紋，其長(zhǎng)度無統(tǒng)一規(guī)定，一般在0.2--1毫米范圍內(nèi)。自工程裂紋擴(kuò)展至完全斷裂的疲勞壽命稱為裂紋擴(kuò)展壽命?？倝勖鼤r(shí)二者之和。

在循環(huán)加載下，產(chǎn)生疲勞破壞所需應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)。對(duì)零件、構(gòu)件出現(xiàn)工程裂紋以前的疲勞壽命稱為裂紋形成壽命。工程裂紋指宏觀可見的或可檢的裂紋，其長(zhǎng)度無統(tǒng)一規(guī)定，一般在0.2～1.0毫米范圍內(nèi)。自工程裂紋擴(kuò)展至完全斷裂的疲勞壽命稱為裂紋擴(kuò)展壽命?？倝勖鼮閮烧咧汀Ｒ蚬こ塘鸭y長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于金屬晶粒尺寸，故可將裂紋作為物體邊界，并將其周圍材料視作均勻連續(xù)介質(zhì)，應(yīng)用斷裂力學(xué)方法研究裂紋擴(kuò)展規(guī)律。由于S-N曲線是根據(jù)疲勞試驗(yàn)直到試樣斷裂得出的，所以對(duì)應(yīng)于S-N曲線上某一應(yīng)力水平的疲勞壽命N是總壽命。在疲勞的整個(gè)過程中，塑性應(yīng)變與彈性應(yīng)變同時(shí)存在。當(dāng)循環(huán)加載的應(yīng)力水平較低時(shí)，彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用；當(dāng)應(yīng)力水平逐漸提高，塑性應(yīng)變達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，塑性應(yīng)變成為疲勞破壞的主導(dǎo)因素。為便于分析研究，常按破壞循環(huán)次數(shù)的高低將疲勞分為兩類：①高循環(huán)疲勞（高周疲勞）。作用于零件、構(gòu)件的應(yīng)力水平較低，破壞循環(huán)次數(shù)一般高于104～105的疲勞，彈簧、傳動(dòng)軸等的疲勞屬此類。其特點(diǎn)是：作用于構(gòu)件上的應(yīng)力水平較低，應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系。②低循環(huán)疲勞（低周疲勞）。作用于零件、構(gòu)件的應(yīng)力水平較高，破壞循環(huán)次數(shù)一般低于104～105的疲勞，如壓力容器、燃?xì)廨啓C(jī)零件等的疲勞。其特點(diǎn)是：作用于構(gòu)件的應(yīng)力水平較高，材料處于塑性狀態(tài)。很多實(shí)際構(gòu)件在變幅循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞既不是純高循環(huán)疲勞也不是純低循環(huán)疲勞，而是二者的綜合。

相應(yīng)地，裂紋擴(kuò)展也分為高循環(huán)和低循環(huán)兩類。高循環(huán)疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律可利用線彈性斷裂力學(xué)方法研究；低循環(huán)疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律一般應(yīng)采用彈塑性斷裂力學(xué)方法研究，不過由于問題十分復(fù)雜，尚未很好地解決。

實(shí)踐表明，疲勞壽命分散性較大，因此必須進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，考慮存活率（即可靠度）的問題。具有存活率p（如95%、99%、99.9%）的疲勞壽命Np的含義是：母體（總體）中有p的個(gè)體的疲勞壽命大于Np。而破壞概率等于（1－p）。常規(guī)疲勞試驗(yàn)得到的S-N曲線是p=50%的曲線。對(duì)應(yīng)于各存活率的p的S-N曲線稱為p-S-N曲線。