加载环境对合金超高周疲劳行为的影响
何柏林;张枝森;谢学涛;封亚明
【摘 要】疲劳断裂涉及到能源动力、交通运输、海洋工程、冶金工程等领域,其中对关键部件材料在特定环境下承受低应力、高周期变载作用的研究显得尤为重要.传统的疲劳均是在疲劳循环周次小于107次,属低周或高周疲劳范畴.近年来材料的超高周疲劳研究表明,很多金属材料在107周次以上仍然发生疲劳断裂,不存在疲劳极限,用107的条件疲劳极限对长寿命构件进行无限寿命设计并不安全.本文综述了近20年国内外学者对合金在特定加载环境(温度与介质)下超高周行为的研究现状,并对其研究前景进行了展望.%Fatigue fracture is related to the energy power, transportation, ocean engineering, metallurgical engi-neering and other fields, which is particularly important in the study of influence concerning low stress and high cycle loading on materials of the key parts in a certain environment. The fatigue cycle is less than 107, which belongs to the category of low cycle or high cycle fatigue. Recent rearches on ultra-high cycle fatigue have in-dicated that the metal materials can fail after 107 cycles, which breaks the traditional perception of infinite life. The condition fatigue limit
of 107 cycles is not safe for the design of long-life components. In this paper, the re-arch status of the ultra high cycle behavior of the alloy material in the special loading environment (tempera-ture and medium) is reviewed in recent twenty years, and its prospect is discusd.永兴社区
【期刊名称】《华东交通大学学报》
【年(卷),期】2016(033)005
【总页数】7页(P51-57)
【关键词】加载环境;温度;合金;超高周疲劳行为
【作 者】何柏林;张枝森;谢学涛;封亚明
【作者单位】华东交通大学机电与车辆工程学院,江西 南昌 330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西 南昌 330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西 南昌 330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西 南昌 330013
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【正文语种】中 文
【中图分类】TG113.2
20世纪80年代，日本学者Naito等［1］发现了渗碳钢在承受了108周次的应力循环后依旧会发生疲劳破坏的现象。此后，各国学者对多种金属材料进行的大量疲劳试验证明，许多材料只有耐久极限或疲劳强度，传统规范中的“疲劳极限”并不存在，由此开辟了新的研究热点领域——超高周疲劳（Very high cycle fatigue，又称Ultra-high cycle fatigue，Gigacycle fatigue或Ultra-long life fatigue）。目前，针对合金超高周疲劳的研究主要集中在以下方面:S-N曲线的特征，疲劳裂纹源的萌生机理，裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段的准确界定以及其寿命预测的数学模型，影响超高周疲劳行为的因素等。
虽然近些年来超高周疲劳的研究取得了丰硕的成果，但其试验数据大都是在常温大气环境下测量所得。实际上，工程中的许多合金构件需要在特定的加载环境（环境温度、环境介质）下服役。比如:现代超超临界汽轮机的转子在服役期内需要在600℃的环境下承受1010～1011周次的疲劳载荷［2］。航空发动机在服役期内，压气机叶片在腐蚀环境中要承受的疲劳载荷高达109～1012周次［3］。海上石油平台的系泊链在服役30年间要经受海浪9.
我又想起你了5×107～9.5×108次的小载荷冲击［4］。随着工业化技术的发展，高龄化设备的开发涉及到了能源动力、交通运输、海洋工程、生物医药等领域，其中对关键部件材料在特定环境下承受低应力、高周期变载作用的研究显得尤为重要。本文综述了近20年国内外学者对合金在特定加载环境下超高周行为的研究现状，并对其研究前景进行了展望。
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合金的超高周疲劳行为会受到加载方式、加载频率等试验方法的影响，也会受到材料强度、表面状况、化学成分、组织结构等材料自身性能的影响。目前国内外学者对上述问题进行了大量研究，但是关于环境温度影响合金超高周疲劳行为的报道相对较少。
谢少雄等［5-7］利用旋转弯曲疲劳试验机，对CrMoW转子钢在常温和600℃两种环境下进行了50 Hz的疲劳试验，结果表明温度对转子钢的超高周行为有显著的影响。如图1所示，两条S-N曲线都不存在传统的“疲劳极限”，高温下的S-N曲线呈直线下降的趋势。在同一循环周次下，高温环境下对应的疲劳强度远低于常温下的疲劳强度。由试样表面分析发现，经过600℃下的超高周疲劳试验后，试样表面覆盖了一层脆性的氧化膜，如图2所示。氧化膜附近存在许多空穴和孔洞会促进疲劳裂纹的萌生。观察600℃条件下的试样断口形貌发现，疲劳裂纹的萌生区和初始扩展区普遍存在非金属夹杂物。侯方等［2］对CrMoW钢开
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展的高温超声疲劳试验发现，这些内部萌生的非金属夹杂物的临界尺寸会因为温度的升高而降低，并且夹杂物尺寸会随着保温时间的延长而增大，这为诱发疲劳微裂纹创造了条件。在进行高温疲劳试验过程中，试样表面和次表面的夹杂都会形成疲劳微裂纹，并且各自沿着原有路径进行扩展，接着两部分的裂纹会逐渐汇合，使得初始裂纹扩展迅速，导致疲劳寿命的降低。文献［7］计算600℃下CrMoW钢裂纹扩展门槛值为△Kth=2.685 MPa.m1/2，次表面临界夹杂物直径φinc=4.1 μm。文献［5］利用高精度位移传感器监测试样扰度的变化，以确定裂纹萌生和扩展的分界点。结果证明当疲劳寿命Nf大于107时，裂纹萌生阶段的时间占了疲劳寿命的99%。温度几乎不影响裂纹萌生寿命的占比。
顾玉丽等［8］研究了不同温度下DZ125高温合金超高周疲劳裂纹的萌生机制与扩展特征。室温下，疲劳裂纹皆萌生于试样表面；700℃下，疲劳裂纹皆萌生于试样亚表面。超高周范围内，不同温度下的断口源区都没发现高强钢裂纹内部萌生的“鱼眼”形貌特征。一般合金材料超高周疲劳裂纹更趋向于在内部萌生，在低载荷的循环作用下表面难以形成驻留滑移带“PSB极限”，而夹杂物或小晶粒等材料内部缺陷反而更易诱发疲劳微裂纹［9］。Bathias［10］认为，材料在低载荷高周期的作用下，材料内部的晶粒更容易因为承受应力集中而产生塑变，进而萌生疲劳裂纹。Murakami［11］则提出了材料缺陷处应力强度因子
幅△Kinc的计算公式，当△Kinc＞△Kth，裂纹便在此处萌生和扩展，材料内部和外部缺陷尺寸的大小决定了疲劳源的位置。顾玉丽认为，试样在高温下承受的载荷较低（高温下载荷范围:290～250 MPa；室温下载荷范围:500～290 MPa），表面难以形成“PSB极限”。而且在低载荷范围内，试样整体处于弹性应变的状态，此时材料内部弹性应变的差异是导致裂纹萌生的主因。不同温度下，DZ125高温合金裂纹扩展方式均分为两个阶段:剪切模式扩展与拉伸模式扩展。室温下裂纹以拉伸模式扩展为主，而高温下裂纹以剪切模式扩展为主。
Wagnera等［12］分别将奥氏体钢在室温和700℃条件下进行超高周疲劳试验，并分别得到两种条件下的S-N曲线。如图3和图4所示，室温下的试验数据较为离散，在超高周范围内的试样并未发生疲劳破坏；高温下的S-N曲线则呈直线下降的趋势。几乎所有失效试样的疲劳裂纹皆萌生于表面，这主要与其表面形成的PSB有关。室温下试样在Nf大于108时不发生疲劳失效，这是因为试样中部在经历了高周期的加载后产生了形变孪晶，形变孪晶的出现阻碍了PSB的形成。文献［13］认为，常温下奥氏体钢层错能较低，形变过程中会产生形变孪晶，但这部分孪晶会在退火过程中消失。Wagnera认为，试样在700℃条件下进行超高周疲劳试验，奥氏体钢具有较高的层错能，其交叉滑移极可能形成PSB，并最后形成主裂纹，导致疲劳失效。
Zimmermann［14］和Stocker［15］分别探讨了温度对镍基合金80A超高周疲劳行为的影响。研究发现在同一循环周次下，高温（800℃）会极大地降低试样的疲劳强度。一般在高温环境下，合金材料的抗拉强度会降低，会相应地减弱其抗疲劳性能［15-16］。高温导致材料内部热激活过程较为活跃，有利于位错的运动，增大了疲劳裂纹萌生的机会［14，17］。高温条件下，裂纹尖端处金属会因为暴露在空气中而被氧化变脆，导致裂纹尖端的塑性变形钝化困难，使得裂纹扩展迅速，从而降低材料了的疲劳寿命［5，18］。综上所述，温度会极大影响合金的超高周行为，由于高温带来的试样表面氧化与材料内部劣化，会改变疲劳裂纹的萌生与扩展。超高周范围内，试样疲劳失效的主因是低载荷与温度共同作用的结果。
近年来，国内外学者研究了合金材料在真空、水蒸气、NaCl溶液、乙醇、海水、生物燃料等不同环境介质下的超高周行为，并分析了机械力与介质的相互作用，探索了超高周疲劳裂纹萌生与扩展的机理。
Nakajima等［19］分别在干燥空气、实验室空气、蒸馏水3种介质中对高强钢进行52.5 Hz下的旋转弯曲疲劳试验，结果如图5所示。空气湿度显著影响高强钢的S-N特征，干燥空气
和实验室空气下的S-N曲线皆呈“阶梯状”，但湿度较大的S-N曲线平台应力要小于相应干燥空气下的平台应力。由于蒸馏水能活化试样表面，疲劳裂纹均在表面萌生，导致试样在Nf大于105后的疲劳强度要远低于空气中的疲劳强度，蒸馏水环境下的S-N曲线呈现连续下降的趋势。Tokaj等［20］进一步探究了湿度对高强钢疲劳裂纹萌生位置的影响，如图6所示。在干燥空气下，超高周疲劳裂纹均萌生于材料内部。随着湿度的增大，高强钢疲劳裂纹更趋向于在表面萌生。湿度越大，高强钢相应的疲劳强度越低。
Petit等［21］探究了真空和空气中Ti-6Al-4V合金裂纹扩展速率的差异，如图7所示。研究发现，频率的不同不会影响裂纹的扩展速率，而且合金在空气中的△Kth值为2.6 MPa.m1/2，在真空中的△Kth值为2.7 MPa.m1/2。虽然两种环境下的△Kth值相差无几，但其扩展速率却有显著的差异，空气中裂纹扩展速率最大要高于真空中扩展速率3个量级。空气中水蒸汽的吸附作用是导致疲劳裂纹快速扩展的主因。近期，Geathers等［22］对Ti-6242S合金在不同压强的水蒸汽环境下进行超声疲劳试验，结果发现水蒸气压强越大，材料的疲劳裂纹扩展速率也越大。
敏感的近义词Holper等［23］以不同的加载频率（20 Hz和20 kHz）研究了铝合金在真空和空气中的超
高周疲劳行为。结果证明加载频率的不同（即应变率的不同）并不影响铝合金的△Kth值，湿度会明显影响其△Kth值和裂纹扩展速率△a/△N。真空中最大的扩展速率为5×10-12m/cycle，空气中最大扩展速率为5×10-10m/cycle。当△a/△N=3.5×10-13m/cycle时，空气中对应的△Kth值为真空中的60%～90%。随后进一步探讨了应力比（R=-1，0.05，0.5）对铝合金在这两种环境介质下的影响［24］，研究显示当R=0.5时相应的疲劳裂纹扩展速率最大。这与文献［25］的研究结论一致。Stanzl-Tschegg等［26］对高强钢在裂纹扩展近门槛区的研究发现，加载环境湿度越大，材料相应地具有更高的裂纹扩展速率和更低的应力强度因子门槛值。
枯竭
张彭一［27］和Qian［28-30］在空气和3.5%NaCl溶液中分别对钢进行了常规的旋转弯曲疲劳测试（f=52.5 Hz），分析了钢在不同环境介质下疲劳裂纹萌生与扩展的机理。张彭一发现两种环境下获得的2Cr13钢S-N曲线都呈现“阶梯状”:在Nf=106～108范围内，腐蚀环境下的疲劳极限为250 MPa，远小于空气环境下530 MPa的疲劳极限，两者在Nf大于108后依旧会发生疲劳失效。空气环境下，疲劳裂纹皆萌生于试样表面或亚表面，断口中并未发现类似“鱼眼”的形貌特征。腐蚀环境下，裂纹主要在表面或表面夹杂处萌生，且疲劳裂纹源的个数会随着应力水平的提高而增加。Qian等［28］在3.5%NaCl溶液中获得的45Cr结
构钢S-N曲线呈连续下降的趋势，并不存在所谓的疲劳极限，如图8所示。腐蚀环境明显弱化了试样的疲劳强度，当Nf=107，腐蚀环境下的疲劳强度仅为空气中的10%，当Nf=108时，这一比值降到了5.8%。在超高周范围内，空气环境下的疲劳裂纹趋向于在内部萌生并具有“鱼眼”形貌。与张彭一的发现一致:腐蚀环境下疲劳裂纹的萌生具有多裂纹源的特征，在稳定扩展阶段，裂纹沿晶界扩展并发现有沿晶二次裂纹。在载荷与介质的相互作用下，疲劳裂纹面比值随着循环周次的增加而增加。近期，Qian等在文献［29-30］中建立了高强钢在不同环境介质下超高周疲劳寿命的数学预测模型，模型预测结果与试验观测结果相吻合。电脑护眼模式怎么设置
