近年,对于加载次数在一千万次以前被认为拥有疲劳极限的材料,在加载次数超过一千万次的超长寿命区,疲劳破坏发生的可能性被确认。这意味着既有的疲劳设计规范和寿命预测方法已经不适用于超长寿命的疲劳设备。因此,在工业发达的国家超长寿命疲劳试验的实施和疲劳破坏机理的研究被作为重要的课题而提出。该研究对现有的以及不断增加的高龄化机械设备和结构物的安全可靠性评估,余寿命诊断技术和延命化技术的建立,新的疲劳设计规范的制定等具有重要的意义。在本研究里,使用2万Hz超声疲劳系统对高强度钢进行超长寿命疲劳强度行为及试验方法的研究。明确材料内部裂痕发生起点的破坏特征,阐明内部破坏机理,将超声疲劳试验系统得到的实验数据与近六年来申请者已经积累的由普通机械疲劳试验机得到的同材料的超长寿命疲劳实验数据进行比较,建立两者的相关关系,修正超声疲劳实验结果,使超声疲劳的研究定量化。
使用轴承钢和工具钢,通过常频和超声频率的疲劳试验,研究了高强度钢超长寿命疲劳行为及超声加速疲劳试验方法对高强度钢疲劳性能的影响,讨论了超声疲劳试验是否适用于高强度钢超长寿命疲劳定量研究的问题。此外,也研究了表面改性方法对高强度钢超长寿命性能的影响。结果表明,在高应力幅区,高强度钢的疲劳裂纹萌生于材料表面加工伤痕或夹杂物,而在低应力幅区萌生于材料内部的夹杂物。对应于表面和内部的不同的裂纹萌生位置,其S-N曲线呈现为两条。从材料表面萌生裂纹的S-N曲线受材料表面的粗糙度和加工残余应力的影响,从内部萌生裂纹的S-N曲线只受材料内部夹杂物尺寸的影响。在通常采用的空冷的条件下,超声加载频率和超声频率引起的材料内部升温对高强度钢疲劳性能影响较大。超声频率使材料疲劳寿命增加,而引起内部裂纹萌生的夹杂物周围的升温使疲劳寿命降低。因此,在空冷的条件下,超声加载不易用于强度等级较高的高强度钢的定量研究。另外,表面改性方法不能提高超长寿命区轴向加载条件下的疲劳强度;使材料内部产生较小的拉伸残余应力值的同时,在材料表面产生应力幅值不高的较深的残余应力分布的表面改性方法可以提高高强度钢超长寿命区的弯曲疲劳强度。