高強度鋼超長壽命疲勞行為及試驗方法的研究基本信息

近年，對于加載次數(shù)在一千萬次以前被認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壽命區(qū)，疲勞破壞發(fā)生的可能性被確認。這意味著既有的疲勞設(shè)計規(guī)范和壽命預(yù)測方法已經(jīng)不適用于超長壽命的疲勞設(shè)備。因此，在工業(yè)發(fā)達的國家超長壽命疲勞試驗的實施和疲勞破壞機理的研究被作為重要的課題而提出。該研究對現(xiàn)有的以及不斷增加的高齡化機械設(shè)備和結(jié)構(gòu)物的安全可靠性評估，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)對高強度鋼進行超長壽命疲勞強度行為及試驗方法的研究。明確材料內(nèi)部裂痕發(fā)生起點的破壞特征，闡明內(nèi)部破壞機理，將超聲疲勞試驗系統(tǒng)得到的實驗數(shù)據(jù)與近六年來申請者已經(jīng)積累的由普通機械疲勞試驗機得到的同材料的超長壽命疲勞實驗數(shù)據(jù)進行比較，建立兩者的相關(guān)關(guān)系，修正超聲疲勞實驗結(jié)果，使超聲疲勞的研究定量化。

隨著人們對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，進行壽命試驗無疑成為評定這項指標的唯一有效途徑。低載荷、高轉(zhuǎn)速的常規(guī)壽命試驗方法費時費力而且試驗結(jié)果的可靠性差，而先進的軸承疲勞壽命強化試驗機及試驗方法的使用在我國才剛剛起步，應(yīng)用范圍有待進一步擴大。如何加強壽命試驗技術(shù)的交流與合作，促進軸承疲勞壽命快速試驗技術(shù)的發(fā)展，推廣軸承疲勞壽命快速試驗技術(shù)的應(yīng)用，是今后很長一個時期內(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。對實際構(gòu)件疲勞壽命常以工作小時計。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壽命。工程裂紋指宏觀可見或可檢的裂紋，其長度無統(tǒng)一規(guī)定，一般在0.2--1毫米范圍內(nèi)。自工程裂紋擴展至完全斷裂的疲勞壽命稱為裂紋擴展壽命?？倝勖鼤r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)。自工程裂紋擴展至完全斷裂的疲勞壽命稱為裂紋擴展壽命?？倝勖鼮閮烧咧?。因工程裂紋長度遠大于金屬晶粒尺寸，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)用斷裂力學方法研究裂紋擴展規(guī)律。由于S-N曲線是根據(jù)疲勞試驗直到試樣斷裂得出的，所以對應(yīng)于S-N曲線上某一應(yīng)力水平的疲勞壽命N是總壽命。在疲勞的整個過程中，塑性應(yīng)變與彈性應(yīng)變同時存在。當循環(huán)加載的應(yīng)力水平較低時，彈性應(yīng)變起主導作用；當應(yīng)力水平逐漸提高，塑性應(yīng)變達到一定數(shù)值時，塑性應(yīng)變成為疲勞破壞的主導因素。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、傳動軸等的疲勞屬此類。其特點是：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、燃氣輪機零件等的疲勞。其特點是：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，裂紋擴展也分為高循環(huán)和低循環(huán)兩類。高循環(huán)疲勞裂紋擴展規(guī)律可利用線彈性斷裂力學方法研究；低循環(huán)疲勞裂紋擴展規(guī)律一般應(yīng)采用彈塑性斷裂力學方法研究，不過由于問題十分復雜，尚未很好地解決。

實踐表明，疲勞壽命分散性較大，因此必須進行統(tǒng)計分析，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)疲勞試驗得到的S-N曲線是p=50%的曲線。對應(yīng)于各存活率的p的S-N曲線稱為p-S-N曲線。