西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第l 頁 摘要 傳統(tǒng)疲勞設(shè)計(jì)觀點(diǎn)認(rèn)為，疲勞試驗(yàn)只要做到1 0 7 周次的應(yīng)力循環(huán)，就可以 滿足機(jī)械和工程結(jié)構(gòu)的安全使用?？墒墙陙?，隨著現(xiàn)代機(jī)械向高速和大型 化方向的發(fā)展，許多機(jī)械和工程結(jié)構(gòu)，如高速鐵路的機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)及零部件、 鋼軌、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等在承受1 07 1 0 9 周次應(yīng)力循環(huán)載荷后的超高周區(qū)域， 疲勞破壞仍然發(fā)生。因此，傳統(tǒng)的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范和壽命預(yù)測方法已經(jīng)不能滿 足超高周區(qū)域機(jī)械設(shè)備的使用要求，超高周疲勞行為和試驗(yàn)方法的研究已經(jīng) 成為疲勞研究者必須面臨的一項(xiàng)重要課題。 本文以強(qiáng)度等級較高的g c r l 5 軸承鋼為研究對象，以旋轉(zhuǎn)彎曲和常規(guī)軸 向加載疲勞試驗(yàn)為主，超聲疲勞試驗(yàn)為輔的試驗(yàn)方法，開展了1 0 7 1 0 1 0 壽命 范圍的超高周疲勞行為的研究，具體表述如下： 使用電子顯微鏡和l e i c a 光學(xué)顯微鏡對裂紋萌生位置及其附近的特征進(jìn) 行了詳細(xì)觀察，分析了g c r l 5 軸承鋼在三種試驗(yàn)下的裂紋萌生機(jī)制，可以分 為表面裂紋萌生機(jī)制和內(nèi)部裂紋萌生機(jī)制。 得到了該材料在三種試驗(yàn)下的疲勞s - n 曲線，比較分析了三種試驗(yàn)下的 疲勞鯽曲線的特征，同時(shí)驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞洲數(shù)據(jù)能較好的服從威布 爾分布，得到了該材料旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞p - s - n 曲線。 使用s e v 預(yù)測方法預(yù)測了該材料的最大夾雜尺寸，同時(shí)使用m u r a k a m i 方程推定了該材料的疲勞強(qiáng)度。 通過對裂紋的萌生位置的初期應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值的計(jì)算，分析了裂 紋萌生及擴(kuò)展的斷裂力學(xué)條件。 通過旋轉(zhuǎn)彎曲、超聲和常規(guī)軸向加載疲勞試驗(yàn)結(jié)果的比較，考察了旋轉(zhuǎn) 彎曲與常規(guī)軸向加載疲勞強(qiáng)度的等效性，明確了超聲加載頻率、溫度等因素 對疲勞s w 曲線特性和裂紋萌生機(jī)制的影響。 討論了超高周疲勞試驗(yàn)方法的可行性，具體分析了常規(guī)疲勞試驗(yàn)方法和 超聲疲勞試驗(yàn)方法的適用范圍。 最后，在總結(jié)工作的基礎(chǔ)上，對于今后的研究思路和研究方向提出了建 議。 【關(guān)鍵詞】g c r l 5 軸承鋼；超高周疲勞；s - n 曲線：尸善曲線；裂紋；夾雜 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1i 頁 a b s t r a c t c o n v e n t i o n a lf a t i g u ed e s i g np o i n tc o n s i d e r st h a tf a t i g u et e s ta sl o n g 嬲 e n d u r es t r e s sc i r c u l a t i o no f1 0 7 c y c l e sc a nm e e tt h es a f e t ya c t i v i t yo ft h e m e c h a n i s ma n de n g i n e e r i n gs t r u c t u r e b u tw i t ht h eh i g h s p e e da n dl a r g e s c a l e d e v e l o p m e n to fm o d e r nm e c h a n i s mi n r e c e n ty e a r s ，m a n ym e c h a n i s ma n d e n g i n e e r i n gs t r u c t u r es t i l lc a nt a k ep l a c ef a t i g u ef a i l u r ei nu l t r a - l o n gl i f er e g i m e e x c e e d i n g1 07 - 1 0 c y c l e s s oc o n v e n t i o n a lf a t i g u ed e s i g ns t a n d a r da n dl i f e p r e d i c t i o n m e t h o d a l r e a d y d o n tm e e tt h e a c t i v i t ya c q u i r e o fm e c h a n i s m e q u i p m e n ti nu l t r a - l o n g l i f e r e g i m e t h es t u d yo ft e s t m e t h o da n df a t i g u e b e h a v i o ri nu l t r a l o n gl i f er e g i m ea l r e a d yb e c o m e sa ni m p o r t a n tt a s kt h a tt h e f a t i g u er e s e a r c h e r sm u s tf a c e f a t i g u eb e h a v i o ri nu l t r a - l o n gl i f er e g i m e ( a b o u t1 0 7 1 0 1 0c y c l e s ) o fh i g h s t r e n g t hb e a rs t e e l g c r l 5i ss t u d i e db yu s i n gt h ec o n v e n t i o n a lr o t a r yb e n d i n g t e s ta n da x i a ll o a dt e s tm a i n l ya n db yu s i n gu l t r a s o n i cf a t i g u et e s ts e c o n d l y s p e c i f i c a l l ye x p l a i na sf o l l o w s ： t h ef a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o np l a c ea n dv i c i n a lm a r ka r eo b s e r v e db ys e m a n do mi nd e t a i l t h ef a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o nm e c h a n i s mo fg c r l 5b e a rs t e e li s a n a l y z e da n dc a nb ec l a s s i f i e di n t ot w oc r a c ki n i t i a t i o nm e c h a n i s m s ，o n ei sc a l l e d s u r f a c ec r a c ki n i t i a t i o n m e c h a n i s m ，a n dt h eo t h e ri s c a l l e di n t e r n a lc r a c k i n i t i a t i o nm e c h a n i s m t h em a t e r i a l f a t i g u es nc u r v ei nt h r e et e s t si so b t a i n e da n da n a l y z e d s i m u l t a n e o u s l y , r o t a t eb e n tt e s td a t ai sb e t t e rf o l l o w e db yt h ew e i b u l ld i s t r i b u t i o n a n dt h em a t e r i a l f a t i g u ep s nc u r v ei nr o t a r yb e n d i n gt e s ti so b t a i n e d p r e d i c t i o nm e t h o do fs e vi s a d o p t e dt oe s t i m a t et h em a x i m u mi n c l u s i o n s i z ea n dt h ef a t i g u es t r e n g t ho fg c r l 5b e a rs t e e li se s t i m a t e db yt h em u r a k a m i e q u a t i o n t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no fs t r e s si n t e n s i t yf a c t o r - a i nc r a c ki n i t i a t i o n p l a c e ，t h ef r a c t u r e m e c h a n i c sc o n d i t i o no fc r a c ki n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o ni s a n a l y z e d t h r o u g h t h e c o m p a r i s o n o ft h et e s tr e s u l t si n r o t a r yb e n d i n gt e s t c o n v e n t i o n a la x i a ll o a dt e s ta n du l t r a s o n i cf a t i g u et e s t ，t h ee q u i v a l e n c eo fr o t a r y 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 ii 頁 b e n d i n ga n dc o n v e n t i o n a la x i a ll o a df a t i g u es t r e n g t hi sr e a l i z e da n dt h ec h a r a c t e r o ff a t i g u es - nc u r v ea n dt h ec r a c ki n i t i a t i o nm e c h a n i s mi si n f l u e n c e db yt h e s o m ef a c t o r s ，s u c ha su l t r a s o n i cl o a df r e q u e n c ya n d t e m p e r a t u r e t h ef e a s i b i l i t yo ft e s tm e t h o di nu l t r a - l o n gl i f er e g i m ei sd i s c u s s e da n dt h e a p p l i a n c er a n g eo ft h ec o n v e n t i o n a lf a t i g u et e s tm e t h o da n dt h eu l t r a s o n i cf a t i g u e t e s tm e t h o di sa n a l y z e d f i n a l l y , o nt h eb a s e o fw o r kg e n e r a l i z a t i o n ，t h er e s e a r c ht h i n k i n ga n d d i r e c t i o ni nt h ef u t u r ei ss u g g e s t e d k e yw o r d s ：g c r l 5b e a rs t e e l ；u l t r a - l o n gc y c l ef a t i g u e ；s nc u r v e ；p s nc u r v e ； i n c l u s i o n ；c r a c k 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁 第1 章緒論 疲勞( f a t i g u e ) 這個(gè)詞起源于拉丁文的“f a t i g u e ”一詞，意思是“疲倦”。 雖然它通常指人們的身心勞累，但現(xiàn)在也成為工程詞匯表中被廣泛接受的術(shù) 語，用以表達(dá)材料在循環(huán)載荷作用下的損傷和破壞。日內(nèi)瓦的國際標(biāo)準(zhǔn)化組 織( i s o ) 在1 9 6 4 年發(fā)表的報(bào)告“金屬疲勞試驗(yàn)的一般原理”中，給疲勞下 了一個(gè)描述性的定義：“在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下，導(dǎo)致金屬材料開裂或 破壞的性能變化叫做疲勞”。這一描述也普遍適用于非金屬材料。 疲勞破壞是機(jī)械零部件早期失效的主要形式。它包括僅有外加應(yīng)力或應(yīng) 變波動(dòng)造成的機(jī)械疲勞；循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用引起的蠕變一疲勞；循環(huán) 受載部件的溫度變動(dòng)時(shí)引起的熱機(jī)械疲勞( 即熱疲勞與機(jī)械疲勞的組合) ：在 存在侵蝕性化學(xué)介質(zhì)或致脆介質(zhì)的環(huán)境中施加反復(fù)載荷時(shí)的腐蝕疲勞；載荷 的反復(fù)作用與材料之間的滑動(dòng)和滾動(dòng)接觸相結(jié)合分別產(chǎn)生的滑動(dòng)接觸疲勞和 滾動(dòng)接觸疲勞；脈動(dòng)應(yīng)力與表面間的來回相對運(yùn)動(dòng)和摩擦滑動(dòng)共同作用產(chǎn)生 的微動(dòng)疲勞等等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有8 0 以上零部件失效是由這幾種疲勞引起的， 其中大多數(shù)是突然斷裂。 隨著現(xiàn)代機(jī)械向高速和大型化方向發(fā)展，許多零部件在高溫、高壓、重 載和腐蝕等惡劣工況下運(yùn)行，疲勞破壞事故更是層出不窮。因此，研究機(jī)械 零部件的疲勞強(qiáng)度和推廣疲勞設(shè)計(jì)，對提高機(jī)械產(chǎn)品的使用可靠性和使用壽 命有著十分重要的意義。 1 1 疲勞研究的回顧 關(guān)于材料疲勞的研究可以追溯到1 9 世紀(jì)上半葉。隨著蒸氣機(jī)車和機(jī)動(dòng)運(yùn) 載工具的發(fā)展以及機(jī)械設(shè)備的廣泛應(yīng)用，運(yùn)動(dòng)部件的破壞經(jīng)常發(fā)生。破壞往 往發(fā)生在零部件的截面突變處，破壞處的名義應(yīng)力不高，低于材料的強(qiáng)度極 限和屈服極限。比如早在1 8 4 2 年，法國凡爾賽的機(jī)車脫軌重大傷亡事故，其 原因就是由于機(jī)車前軸的疲勞破壞引起的。針對各種金屬和非金屬、脆性材 料和延性材料，以及單一材料和復(fù)合材料在不同環(huán)境中出現(xiàn)的疲勞破壞現(xiàn)象， 眾多的科學(xué)家和工程師進(jìn)行了深入的研究，并且做出了開拓性的貢獻(xiàn)。 十九世紀(jì)初期，一位德國工程師a l b e r t ( 1 8 2 9 ) 開始了對金屬疲勞的最 初研究，他對用鐵制作的礦山卷揚(yáng)機(jī)焊接鏈條進(jìn)行了反復(fù)的加載試驗(yàn)，以校 驗(yàn)其可靠性。 器紊交逶夭擎磺毒疆突生學(xué)位論交等2 燹 1 8 3 9 年，法豳的工程師p o n c e l e n t 萏先采用了“疲勢”這一術(shù)語，用來描 述材料在交變載衙下承載能力逐漸耗盡以致最終斷裂的破壞過程。 1 8 4 3 年，英圈機(jī)械工程師學(xué)會(huì)攝出了所謂的疲勞“晶化理論”。認(rèn)為導(dǎo)致 最終疲勞瑗壞黔驤囂是終為謄| 辯基鶿鵑徽麓結(jié)構(gòu)發(fā)生菇詫瓣結(jié)果。 壹鬟1 8 4 7 箏，德蓬工程螽w o h l 檔辯金震戇疲勞逶簿了斃較深天釋蓉統(tǒng)戇 研究。1 8 5 0 年，他設(shè)計(jì)了第一臺(tái)疲蒡試驗(yàn)機(jī)，用來避符全尺寸機(jī)車車軸的疲 勞試驗(yàn)。之后，他又研制出許多種形式的疲勞試驗(yàn)機(jī)，并首次用金屬試樣進(jìn) 行了疲勞試驗(yàn)。弗凰在1 8 7 1 年發(fā)表的論文中，系統(tǒng)論述丁疲勞壽命與循環(huán)虛 力馳關(guān)系，提出了戮饜$ - n ( 應(yīng)力一淹命) 馥線來描述疲勞行為鮑方法，勢藏 撬窶了“疲勞極羧”靜壤念，確定了斑力睡是疲勞酸豁戇決定縫霞豢，獒寵 了高周疲勞( 長潞命，n f = 1 0 4 l o7 髑次) 豹基礎(chǔ)。 1 8 7 0 1 9 0 0 華期間，德國工程師g e r b e r ( 1 8 7 4 ) 殲始研究疲勞設(shè)計(jì)方法， 討論了平均應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響，提出了考慮平均威力影響的疲勞壽命設(shè) 計(jì)計(jì)算方法，建立了g e r b e r 拋物線模濺。英國的g o o d m a n 也討論了類似的閼 題，挺窶了著名豹g o o d m a n 麓鍵模登。 1 8 8 4 年，b a u s c h i n g e r 在驗(yàn)證w o h l e r 的疲勞試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了在循環(huán)載旖 下彈性極限降低的“循環(huán)軟化”現(xiàn)象，引入了應(yīng)力一廒交滯后回線的概念， 并命名為“b a u s c h i n g e r ”效應(yīng)。 1 8 8 6 年，l a n z a 進(jìn)行了比例彎扭復(fù)合加載試驗(yàn)，對多軸疲勞問題進(jìn)行了初 步磅究。 鬟了2 0 毽籠初麓，b a s q u i n ( 1 9 1 0 ) 撬凄了蔫摻數(shù)蠡數(shù)熬方法箍述金耩s - n 曲線的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，提出了著名譽(yù)j b a s q u i n 模型。同年，b a i r s t o w 在金屬循環(huán)硬 化和軟化的早期研究中也做出了有意義的貢獻(xiàn)，他通過多級循環(huán)試驗(yàn)和測凝 滯后回線，給出了有關(guān)形變滯后的研究結(jié)果，并指出形變滯后與疲勞破壞的 關(guān)系。 1 9 2 6 年，葵囂懿g o u g h 發(fā)表了金屬懿疲勞一 零，系統(tǒng)瑟詳綞遺游述 了金屬疲勞機(jī)制的研究結(jié)栗。 1 9 3 0 1 9 5 0 年期間，疲勞已發(fā)展成為一個(gè)重要的科學(xué)研究領(lǐng)域，這一時(shí) 期的研究工作主鬻集中在金屬的腐蝕疲勞( h a i 曲，1 9 1 7 ；m c a d a m ，1 9 2 6 ； g o u g h ，1 9 3 3 ) 【l j ，疲勞破壞的累積損傷模型( p a l m a g r a m ，1 9 2 4 ；m i n e r ， 1 9 4 5 ) 【2 i ，擎囊彤交移鍾繇影變戇談弱效痤( n e u b e r ，1 9 4 6 ) 瑟l ，交搖疲勞 ( l a n g e r ，t 9 3 7 ) | 4 j ，以及材料強(qiáng)發(fā)統(tǒng)計(jì)理論( w e i b u l l ，1 9 3 9 ) 疆j 。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 頁 到了2 0 世紀(jì)中后期，美國國家航空管理局n a s a 研究所的m a n s o n 和c o f f i n ( 1 9 5 2 ) 在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了表達(dá)塑性應(yīng)變和疲勞壽命關(guān)系的 m a n s o n c o f f i n 方程【6 1 ，奠定了低周疲勞( f = 1 0 3 1 0 4 周次) 的基礎(chǔ)。 1 9 6 1 年，n e u b e r 開始用局部應(yīng)力應(yīng)變的方法研究疲勞壽命的問題，提出 了“n e u b e r 法貝u ” 7 。 1 9 6 3 年，在斷裂力學(xué)方法的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了損傷容限設(shè)計(jì)，使斷裂力 學(xué)和疲勞這兩門學(xué)科逐漸結(jié)合起來。 2 0 世紀(jì)6 0 年代后期，隨著統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用于疲勞試驗(yàn)和疲勞設(shè)計(jì)，可靠性設(shè) 計(jì)( 也叫概率疲勞設(shè)計(jì) 應(yīng)運(yùn)而生，它將概率統(tǒng)計(jì)與疲勞設(shè)計(jì)方法相結(jié)合， 考慮載荷、材料強(qiáng)度、幾何尺寸等隨機(jī)變量，研究它們的分布規(guī)律，然后在 靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和損傷容限三種設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn) 行計(jì)算，得出更加符合實(shí)際的結(jié)果。 1 9 7 1 年，w e t z e l 在m a n s o n c o f f m 方程的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)應(yīng)力一應(yīng)變 分析估算疲勞壽命的一整套方法，命名為局部應(yīng)力一應(yīng)變法i s j 。 在研究抗疲勞設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，由于顯微觀測技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們通 過金相顯微鏡、光學(xué)顯微鏡以及電子顯微鏡的使用，對于循環(huán)形變、疲勞裂 紋萌生擴(kuò)展機(jī)制的了解也取得了長足的進(jìn)展。 早在2 0 世紀(jì)初，e w i n g 和r o s e n h a i n ( 1 9 0 0 ) ，以及e w i n g 和h u m f r e y ( 1 9 0 3 ) 通過金相顯微鏡研究瑞典鐵的疲勞，首先指出了滑移帶在裂紋形成的過程中 起到的重要作用。并且在他們的著作中對微觀裂紋慢速擴(kuò)展所引起的金屬疲 勞作了描述，但這時(shí)還沒有提出可進(jìn)行定量處理的有關(guān)疲勞破壞模型的數(shù)學(xué) 框架。 。 1 9 2 1 年，g r i f f i t h 用玻璃研究脆斷的理論和試驗(yàn)，奠定了斷裂力學(xué)的基 礎(chǔ)，被稱為“斷裂力學(xué)之父”【9 】。 1 9 5 7 年，i r w i n t l 。l 開拓性的研究指出，用一個(gè)稱做應(yīng)力強(qiáng)度因子的標(biāo)量k 來表示裂紋尖端應(yīng)力奇異性的大小，來描述疲勞裂紋的擴(kuò)展。 1 9 6 1 年，p a r i s ，g o m e z 和a n d e r s o n 首次指出【l ，在恒幅循環(huán)加載中，疲 勞裂紋在每個(gè)應(yīng)力循環(huán)過程中的擴(kuò)展量d a d n 與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值脯關(guān)， 為線彈性斷裂力學(xué)方法的形成奠定了基礎(chǔ)。 1 9 6 3 年，p a r i s 在斷裂力學(xué)方法的基礎(chǔ)上，提出了估算裂紋擴(kuò)展規(guī)律的著 名關(guān)系式一p 撕s 公式【1 2 1 。直到今天，由于其有效性，仍然被廣泛的應(yīng)用。 1 9 7 0 年，e l b e r 從理論解釋了試驗(yàn)中所觀察到工程材料的疲勞裂紋擴(kuò)展阻 囂麥交逢大攀磺士蘩突生學(xué)位論文第4 簧 力 弱。他指出，即便受到循環(huán)拉伸載荷的作用，疲勞裂紋也能夠保持閉會(huì)狀 態(tài)。在以后的幾錦間，r i t c h i e 、s u r e s h 和m o s s 對不同炎型的裂紋屏蔽過程進(jìn) 行了研究，提出了“塑性誘發(fā)裂紋閉合”機(jī)制 1 4 l 。使人們真正認(rèn)識到疲劈裂 紋擴(kuò)展速率不儀舞斡a i ，專效值有關(guān)，兩且與加載歷史鵜裂紋尺寸有關(guān)。 1 9 7 5 年，p e a r s o n 蓄先臻確鬟凌? 灝疆懿“短袈絞翔蘧”駐舅，蘧搖凄，在 遠(yuǎn)場點(diǎn)a 露同時(shí)，疲勞小裂紋( 長度小予小于幾個(gè)毫米) 的擴(kuò)展速率往往明顯 高于長裂紋( 幾十毫米長) 的擴(kuò)展速率。此外，尺度同特征微觀組織結(jié)構(gòu)尺 寸相當(dāng)或比之更小的疲勞裂紋，其擴(kuò)展速率常常隨裂紋長度的增加而下降。 該問題對由實(shí)驗(yàn)蹙小尺寸試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法的 發(fā)浸奏重大戇影漉。 總之，雖然德定循巧應(yīng)力輻佟耀下的疲勞破壞辯疲勞基本研究靜主黌內(nèi) 容，但由于工程殿用中的服役條件不可避免地含有變幅載荷譜、腐蝕環(huán)境、 低溫或高溫以及多軸應(yīng)力狀態(tài)，因此建立能夠處理這魑復(fù)雜服役條件下的可 靠壽命預(yù)測模型怒今后疲勞研究中的一個(gè)重點(diǎn)。 。2 超高蘧疲勞研究豹提毒 前面介紹的研究工作都是針對低周疲勞( 1 0 wc y c l ef a t i g u e ，三c 乃和嵩周疲 勞( h i g h 鈔砒廊r i g u e ，h c f ) f 目題，即使是高周疲勞，其栽荷循環(huán)周次也不越過 1 0 7 。而實(shí)際的機(jī)械和工程結(jié)構(gòu)，如高速鐵路的機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)及零部件、鋼軌、 橋梁、發(fā)動(dòng)極| 零郟傳窺海洋結(jié)構(gòu)等承受1 0 1 7 甚至到1 0 9 以上的循環(huán)載萄髂用也 薺不鄉(xiāng)覓，靛空靛天設(shè)鍪甚至要窳受蹇這1 8 控熬蹇鬏裁動(dòng)。露覓魂在瓣疲勞 試驗(yàn)研究的柏載閔次已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于楓械和工程結(jié)構(gòu)承受的循環(huán)載荷周次。存 在這種現(xiàn)象主要有以下兩個(gè)原因： 第一、傳統(tǒng)疲勞極限概念的指母。由于過去制造機(jī)械和工程結(jié)構(gòu)基本用 的都是鑷鐵材料，麗這些材料一壹被認(rèn)失具有疲勞極限并且在1 0 6 次左農(nóng)憋 癱力鑣玨表璃凌寒，麩糅證疲勞霹鼗熬夔蕊煮考惠藏勢試驗(yàn)哭要螽舅l o 7 次戇 應(yīng)力循環(huán)，魏可以滿足機(jī)械藕工程綏構(gòu)的安全使蔫。 第二、試駿設(shè)備的限制。某些非鋼鐵材料，如鈦、鋁含金不存在疲勞極限， 但要完成1 07 以上_ 陂力循環(huán)的疲勞試驗(yàn)需要較長的時(shí)間；陽較高的費(fèi)用。由于循 環(huán)載荷特征、外部環(huán)境、材料表藹狀況、溫度以及試驗(yàn)樣本個(gè)性行為導(dǎo)數(shù)疲 勞數(shù)據(jù)的分教魏( 籠英在掙紓贛段) ，翥要大量戇試櫸寒獲褥疲勞壽禽黲了 解疲勞皸壞機(jī)驥。幫使在3 0 h z 頻率下，完成一個(gè)試櫸1 0 7 周次酶疲勞試驗(yàn)瞧囂 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 頁 要近4 天的時(shí)間。在沒有加速疲勞試驗(yàn)設(shè)備的條件下，疲勞試驗(yàn)一般只做到l o 。7 周次。因此，目前的高周疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范只能以1 0 7 周次的疲勞試驗(yàn)為基準(zhǔn)制定。 可是最近十幾年來卻發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度鋼、表面改性鋼、合金鋼、鑄鐵和碳 鋼等鋼鐵材料在交變載荷超過1 04 7 周次作用后，疲勞破壞仍然發(fā)生 1 6 - 2 3 】，這 使得疲勞研究者不得不重新考慮疲勞的本質(zhì)問題。1 9 9 8 年6 月，很多的疲勞 研究者匯集在巴黎參加e u r o m e c hc o l l o q u i u m3 8 2 會(huì)議，討論在交變載荷作用 周次超過1 0 7 后的超高周區(qū)域，材料仍然發(fā)生疲勞失效的問題，提出了金屬 材料超高周疲勞研究的嶄新課題。法國著名疲勞專家b a t h i a s 總結(jié)了最近超 高周疲勞研究成果 2 4 - 2 8 】，把發(fā)生在1 0 6 周次以前的受表面裂紋萌生機(jī)制控制 的疲勞，稱作m e g a - f a t i g u e ；把發(fā)生在1 0 6 1 0 9 周次內(nèi)受內(nèi)部裂紋萌生機(jī)制 ( 多數(shù)鋼鐵材料) 和低于門檻值的極低速的表面裂紋擴(kuò)展機(jī)制( 低碳鋼和一 部分鈦、鋁等輕金屬合金) 控制的疲勞，稱作g i g a - f a t i g u e 。g i g a - f a t i g u e 破 壞的發(fā)生，說明低于傳統(tǒng)的疲勞極限的應(yīng)力仍然會(huì)引起疲勞破壞，以傳統(tǒng)的 疲勞極限作為承受l o7 周次以上交變載荷的機(jī)械和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是危險(xiǎn) 的。因此，超高周疲勞行為和試驗(yàn)方法的研究逐漸成為疲勞研究必須面臨的 一項(xiàng)重要課題。 1 3 超高周疲勞研究的現(xiàn)狀 1 3 1 國外的研究現(xiàn)狀 超高周疲勞，或者說在傳統(tǒng)意義的疲勞極限之下發(fā)生的疲勞斷裂現(xiàn)象， 首先是在高強(qiáng)鋼和表面強(qiáng)化鋼中發(fā)現(xiàn)的。 1 9 8 2 1 9 8 9 年，日本的n a i t o 16 1 、m 嬲u d a 【1 7 1 引、a s a m i 1 9 1 等使用頻率5 0 h z 的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)分別對滲碳處理的c r - m o 鋼，滲碳處理的c r 鋼和 n i c r - m o 高強(qiáng)度鋼進(jìn)行了1 07 1 0 9 周次應(yīng)力循環(huán)的疲勞試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)這些 材料在1 0 。7 周次以前，疲勞裂紋萌生于表面，在l o7 周次以后，疲勞裂紋萌 生于內(nèi)部非金屬夾雜物，并伴有魚眼裂紋特征。這些材料的s - n 曲線為階梯 下降的形狀，傳統(tǒng)的疲勞極限出現(xiàn)在1 0 。7 周次以前，是受表面裂紋萌生及擴(kuò) 展機(jī)制控制的。 1 9 9 0 1 9 9 7 年，k u r o s h i m a 2 1 】和n a k a m u r a 2 2 】等對幾種高強(qiáng)度鋼從表面 破壞( 由表面裂紋引起的) 向內(nèi)部破壞( 內(nèi)部裂紋引起的) 的轉(zhuǎn)移條件進(jìn)行 了研究，研究的結(jié)果表明材料的表面狀態(tài)對轉(zhuǎn)移應(yīng)力幅值有著一定的影響。 k u r o s h i m 等1 2 引還嘗試推測內(nèi)部裂紋的萌生時(shí)期，指出了表面與內(nèi)部兩種破壞 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第6 頁 的壽命差異可能與裂紋擴(kuò)展的環(huán)境有關(guān)，即表面裂紋擴(kuò)展是在空氣中發(fā)生， 而內(nèi)部的擴(kuò)展是在真空中發(fā)生。 1 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0 0 8 0 0 1 - 帥。，弋 f = 3 1 5 0 r p m c a n t i l e v e r - t y p er o t a t i n gb e n d i n gf a t i g u e 0 31 0 41 0 51 0 s1 0 71 0 01 0 9 n u m b e ro fc y c l e st of a i l u r en r , c y c l e s 圖1 - 1s h i o z a w a 得到的高碳鉻軸承鋼的疲勞$ - n 曲線 1 9 9 7 年以后，超高周疲勞行為的研究受到日本更多研究者們的關(guān)注。 s a k a i 教授代表日本材料強(qiáng)度概率模型研究會(huì)，組織了十幾所大學(xué)的疲勞研 究者使用相同形狀的試樣和為此項(xiàng)研究而開發(fā)的5 2 5 h z 四連式旋轉(zhuǎn)彎曲疲 勞試驗(yàn)機(jī)( 可同時(shí)進(jìn)行四根試樣的試驗(yàn)) 【2 h 和8 0 i - i z 四軸拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)( 可 同時(shí)進(jìn)行四根試樣的試驗(yàn)) p ，開展了三個(gè)不同強(qiáng)度等級的高強(qiáng)度鋼( 高碳 鉻軸承鋼( j i ss u j 2 ，h v = 7 7 8 ) 、n i c r - m o ( j i ss n c m 4 3 9 ，h v = 6 3 9 ) 和高 溫回火的c r - m o ( j i ss c m 4 3 5 ，h v = 3 2 8 ，相當(dāng)于我國的3 5 c r - m o 鋼) 鋼的 1 0 7 1 0 9 超高周疲勞的s - n 曲線特性、概率模型和破壞機(jī)理的研究，在日本掀 起了超高周疲勞研究的熱潮。 系列的研究結(jié)果【27 ，3 1 刁s j 表明，s u j 2 鋼和s n c m 4 3 9 鋼都具有表面破壞和 由夾雜物引起的內(nèi)部破壞( 魚眼型) 的兩條洲曲線，圖1 1 給出了日本富 山大學(xué)s h i o z a w a 教授得到的高碳鉻軸承鋼( j i ss u j 2 ) 的疲勞曲線。在 相同的應(yīng)力水平下，當(dāng)兩種破壞機(jī)制共存時(shí)，傳統(tǒng)的單一的概率統(tǒng)計(jì)模型無 法描述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，發(fā)展新的概率模型是疲勞可靠性研究面臨的課 題例。對于強(qiáng)度相對較低s c m 4 3 5 鋼的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果1 4 ，卻只出現(xiàn) 了表面裂紋萌生機(jī)制的一條娶曲線，盡管試樣大部分在l o7 周次以前發(fā)生 折斷，但在略低于疲勞極限的應(yīng)力幅作用下，在5 1 0 8 周次以上仍有試樣折 斷，這意味著低于門檻值的極低速的表面裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象的存在。由于該項(xiàng)研 究對s c m 4 3 5 鋼的超高周區(qū)域旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞數(shù)據(jù)積累的不多，也沒有報(bào)道受 墓 d 一 智1 m山王；b口三=oe仃ej一 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第7 頁 尺寸效應(yīng)( 無應(yīng)力梯度) 影響相對較小的拉壓疲勞試驗(yàn)的結(jié)果。那么對于旋 轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)在1 0 9 周次附近及以上的壽命區(qū)和對于拉壓疲勞試驗(yàn)在l o 7 周次 以上的壽命區(qū)，是否會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部夾雜物引起的內(nèi)部疲勞破壞目前還不清楚。 考慮夾雜物的影響，明確高強(qiáng)度鋼內(nèi)部破壞發(fā)生的臨界應(yīng)力和材料強(qiáng)度等級 的關(guān)系是今后鋼鐵材料超高周疲勞研究的一項(xiàng)重要研究課題。 按照線彈性斷裂力學(xué)的理論，一般低于門檻值對應(yīng)的較小尺度的內(nèi)部夾 雜物周圍不會(huì)形成可擴(kuò)展的裂紋，可是對于強(qiáng)度等級相對較高的高強(qiáng)度鋼則 不然。這已成為疲勞斷裂研究者關(guān)心的一個(gè)熱點(diǎn)。m u r a k a m i 等【4 l 4 2 l 使用金屬 顯微鏡和原子力顯微鏡詳細(xì)地觀察了低溫回火的c r - m o 鋼( j i ss c m 4 3 5 ) 的 g i g a - f a t i g u e 破壞的斷1 2 1 ，發(fā)現(xiàn)萌生內(nèi)部裂紋的夾雜物周圍，存在一個(gè)粗糙形 貌的區(qū)域( o d a ，o p t i c a l l yd a r ka r e a ) 。m u r a k a m i 等認(rèn)為在材料的制造過程 中夾雜物捕獲了氫，o d a 是氫在長期的交變應(yīng)力作用下形成的氫脆破壞，它 是材料內(nèi)部環(huán)境因素引起的。當(dāng)裂紋成長的第一階段完成后，氫的作用消失， 斷口上才出現(xiàn)通常的平滑疲勞裂紋。f u r u y a 等【4 3 】在研究加載頻率對高強(qiáng)度鋼 疲勞行為的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，加載頻率對o d a 的大小沒有影響，他們認(rèn)為o d a 的形成可能與氫有關(guān)，但破壞機(jī)理與氫脆不同。s h i o z a w a 等 3 3 , 3 4 , 3 7 1 使用電子 顯微鏡、金屬顯微鏡和電子探針顯微鏡等觀察了高碳鉻軸承鋼和n i c r - m o 合金鋼的g i g a f a t i g u e 破壞斷口時(shí)也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。s h i o z a w a 等l 4 4 j 還發(fā) 現(xiàn)，夾雜物周圍形成的租糙區(qū)是組織中碳化物從基體剝離引起的，但碳化物 的剝離機(jī)理還不清楚。在超高周疲勞研究被提出以前，m u r a k a m i 方程一直被 用于評估由夾雜物和缺陷等引起疲勞破壞的高強(qiáng)度鋼和合金鋼的疲勞強(qiáng)度， 并被納入日本的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范?？墒茄芯孔C明1 3 3 3 4 j ，在g i g a - f a t i g u e 區(qū)，對 于帶有o d a 的夾雜物，使用m n r a k a m i 方程評估材料超高周疲勞強(qiáng)度是偏 于危險(xiǎn)的。 使用常規(guī)疲勞試驗(yàn)機(jī)去完成超高周疲勞的研究需要更多的時(shí)間和費(fèi)用， 更不可能完成1 0 周次以上的疲勞試驗(yàn)。于是以b a t h i a s 和s t a n z l t s c h e g g 為 代表的歐洲學(xué)者，開發(fā)了2 0 3 0 k h z 的超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)。從1 9 9 0 年開始， b a t h i a s 等開始對多種金屬包括鈦合金( 環(huán)境溫度效應(yīng)【4 5 】、裂紋擴(kuò)展行為( 4 6 1 和組織影響1 4 7 11 4 8 ) 、鎳基合金( 高溫裂紋的萌生與擴(kuò)展行為t 4 9 1 ) 和各種鋼鐵 材料【5 0 j 1 ”j ( 球墨鑄鐵、低碳鋼、彈簧鋼、軸承鋼、軌道鋼和不銹鋼等) 對 壽命范圍從1 0 9 1 0 1 0 次的疲勞行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出了金屬材料在超 高周區(qū)域不存在傳統(tǒng)的疲勞極限【2 4 2 引。在同一時(shí)期，s t a n z l t s c h e g g 等對鈦、 西贏交運(yùn)大學(xué)碩士聚究生學(xué)位論文霧8 頁 鋁合金在超高周區(qū)域的裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究。s t a n z l t s e h e g g 總結(jié)了這魑 研究成果1 5 5 , 5 6 后指出，g i g a - f a t i g u e 壽命區(qū)的表面裂紋擴(kuò)展速度極低，低于傳 統(tǒng)定義的門檻值的裂紋擴(kuò)展速度，井殿裂紋擴(kuò)展是不連續(xù)的；在真空環(huán)境下 怒聲疲勞的表露裂紋擴(kuò)展速度與常艘疲勞試驗(yàn)的裂紋擴(kuò)矮速度福同；在裂紋 擴(kuò)震戇過程孛空氣楚有害豹，它秀玨快了裂紋擴(kuò)展速度。怒聲疲勞試驗(yàn)巍的汗 發(fā)，不僅為材料的超高周疲勞研究提供了方便，而且也使1 0 兩次以上的疲 勞試驗(yàn)成為可能。但由于加載頻率效廒的影響，目前只能用于定性研究，還 不能完成定量研究。由于超高周疲勞裂紋大多發(fā)生在材料內(nèi)部，所以對超聲 疲勞弓l 起的加載簇率和試驗(yàn)材料發(fā)熱對超高周疲勞性熊的影響的闡明非常困 難，囂翦還未莞關(guān)予這方囂夔系統(tǒng)研究黢栗豹報(bào)導(dǎo)。塞予超聲試驗(yàn)存在上述 缺點(diǎn)，于是，m t s 公司幫基本靜路寓稍作所分嗣開發(fā)t1 0 0 0 k h z 豹漓聯(lián)和 3 0 0 6 0 0 k h z 電磁力超高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，但基于這類試驗(yàn)機(jī)的相關(guān)研究成果 報(bào)導(dǎo)很少，3 0 0 1 0 0 0 k h z 的加載是否存在加載頻率和試樣發(fā)熱影響還不清 楚。另外，目前疲勞研究者們使用的超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)基本都是各自開發(fā)的， 怒聲疲勞試驗(yàn)標(biāo)濰遙需要統(tǒng)一。 綜上所述，越聲疲勞溪究因該在統(tǒng)一懿試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行，在保證對試驗(yàn) 材料迸行有效的冷卻條件下，必須考慮加載頻率的影響，才能保證試驗(yàn)結(jié)果 的準(zhǔn)確性。在沒有掌握加載頻率和試驗(yàn)材料發(fā)熱對超商周疲勞性能的影響規(guī) 律的情況下，高頻和超聲疲勞試驗(yàn)研究應(yīng)該在可能的壽命范圍內(nèi)( n 1 0 9 次) 與常頹試驗(yàn)結(jié)聚避行對眈研究。 。3 。2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 我國是繼日本、歐洲國家( 法國、奧地利、德國等) 和美國后，開展超高 周疲勞研究比較早的國家，1 9 9 0 2 0 0 0 年期間，我國的疲勞研究者有2 0 多 人曾先后在法國b a t h i a s 的實(shí)驗(yàn)室翻學(xué)和工作過，例如，北京航空航天大學(xué) 鶼經(jīng)金露、秀蘑交遙大學(xué)靜魏祥安、疆j e 工監(jiān)大學(xué)靜辮牮、募紅茲和疆用文 學(xué)懿王清遠(yuǎn)等，艷 f 】為超聲疲勞的研究徽了很多重簧貔工作，取褥了大量的 研究經(jīng)驗(yàn) 5 7 - 6 1j 。 2 0 0 0 年以后，隨著國內(nèi)對超高周疲勞研究的重視，超聲疲勞的研究取得 了一定的進(jìn)展。中科院沈陽金屬所的張繼明等【6 2 】開展了有、無夾雜物的高強(qiáng) 度結(jié)構(gòu)鋼4 2 c r - m o 和含有不同尺寸夾雜物靜汽車用彈簧鋼s i c r - v 的超高周 疲勞騷究，溪明了竅、無夾雜茲幫夾雜竊足寸對高強(qiáng)澄銹疲勞裂紋蘸生攜影 響。另外，該所的許道奎等研究了絡(luò)構(gòu)用擠壓加工美含盒z k 6 0 的超高閔疲 蕹泰交透大學(xué)碩士矮突生學(xué)位論文繁9 黌 勞行為，闡明了材料的s - n 曲線特餓和疲勞裂紋萌生彳予為1 6 3 。西北工業(yè)大學(xué) 薛紅前，于2 0 0 6 年在中法聯(lián)合培養(yǎng)下，完成了關(guān)于“超聲振動(dòng)載荷下材料的 超高周疲勞性能研究”的博士論文1 6 4 j 。論文以球墨鑄鐵g s 5 1 、合金結(jié)構(gòu)鋼 d 3 8 m s v 5 s 、鑄鍛2 - a s 5 u 3 g y 3 5 耬t i a l 基合金為研究對象，詳細(xì)的研究了 這些搴| 搿超衰溺疲勞行戈弱不弱熱載條捧慰疲勞縫筑貔影璃。論文籜壅，怒 聲頻率幫較高的加載應(yīng)力幅值會(huì)弓l 超材料內(nèi)部溫度的辯離，是影響疲勞壽命 的主要原因；改進(jìn)試樣形狀可以減輟材料內(nèi)部溫度的升高。但如何通過邋當(dāng) 的冷卻手段解決趟聲疲勞試驗(yàn)中試樣發(fā)熱等問題卻沒肖提及。西南交通火學(xué) 的王弘等也應(yīng)用越聲疲勞技術(shù)，對5 0 鋼和4 0 c r 鋼進(jìn)行了超高周疲勞的研究， 分褥了蔌墨應(yīng)秀集每窩平殤痘力黲鐨疲勞佳麓戇影穗，挺密7 搓述超離躅疲 勞裂紋萌生鼢“點(diǎn)靛陷沉淀輥理”釉j 。 為了避免超聲頻率和試樣發(fā)熱帶來的問題，中科院力學(xué)所的周承恩等使 用了5 2 5 h z 四連式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)研究了g c r l 5 軸承鋼超高周疲勞行為 1 6 6 1 ，但該研究沒有對裂紋萌生行為作深入的考察，也沒有與同牌號國外鋼的 既有的研究結(jié)果遴行斃較，因霓，辯以g c r l 5 轆承鋼必代表的毫強(qiáng)度鋼瞧戇 改進(jìn)魏條籜畿不清楚。 最近十幾年以來，我國在航空、航天和高速鐵路建設(shè)領(lǐng)域發(fā)展迅猛，急 需解決金屬材料超高周壽命區(qū)的抗疲勞問題，只有系統(tǒng)的開展金屬材料的超 高周疲勞的研究，才能保證現(xiàn)代機(jī)械和大型結(jié)構(gòu)長期使用的安全可靠，也能 對現(xiàn)有的高齡化枧械和結(jié)構(gòu)的剩余澎禽傲出安全可靠的譯佶。 。3 + 3 當(dāng)前越麓周疲勞騷究蘸瞧的課題 通過前面對疲勞研究的回顧和越高周疲勞研究現(xiàn)狀的分析可以看出，超 高周疲勞研究剛剛起步，存在很多不清楚的科學(xué)問題，急待解決的問題列舉 如下： 嘉可靠毪嬲遮疲勞試驗(yàn)規(guī)的開發(fā)秘試驗(yàn)方法鮑確囊 金震麓辯越麓溺疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)瓣積累移數(shù)器癢靜怒愨 金屬材料越高周疲勞的內(nèi)部裂紋萌生及擴(kuò)展機(jī)理的闡明 變幅載荷作用下金屬材料疲勞累計(jì)損傷機(jī)理的闡明、損傷模型及壽命評 估方法的建成 金屬材料超麓蹋疲勞可靠性設(shè)計(jì)方法救建立 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 0 頁 1 4 本論文的主要工作 本項(xiàng)研究使用5 2 5 h z 四連式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)、r u m u l 2 5 0 k n 高頻 疲勞試驗(yàn)機(jī)以及2 0 k h z 超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)，選擇了高強(qiáng)度軸承鋼- - g c r l 5 為研 究對象，開展了1 0 7 1 0 1 0 壽命范圍內(nèi)的超高周疲勞行為的研究。 1 4 1 研究目的 作為高強(qiáng)度鋼超高周疲勞行為研究的一個(gè)環(huán)節(jié)，以本課題組最初開展的 日本產(chǎn)高碳鉻軸承鋼j i s s u j 2 的超高周旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞研究成果【3 3 】為基礎(chǔ)，通 過對同牌號的國產(chǎn)高碳鉻軸承銅g c r l 5 軸承鋼超高周疲勞行為的比較研究， 積累g c r l 5 軸承鋼的超高周疲勞性能數(shù)據(jù)，明確g c r l 5 軸承鋼的超高周疲勞 孓曲線、裂紋萌生特性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，比較s u j 2 和g c r l 5 軸承鋼的 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能的共性和差異，為g c r l 5 軸承鋼疲勞性能的改進(jìn)和安全性 可靠性高的高強(qiáng)度鋼的開發(fā)提供重要信息，也為g c r l 5 軸承鋼疲勞的疲勞設(shè) 計(jì)提供科學(xué)依據(jù)；另外，通過實(shí)施旋轉(zhuǎn)彎曲、常頻和超聲頻率的軸向拉一壓 加載的超高周疲勞試驗(yàn)研究，闡明超聲加載帶來的頻率和溫度對疲勞行為的 影響，并以此為基礎(chǔ)，探討高強(qiáng)度鋼超高周疲勞試驗(yàn)方法的可行性，為高強(qiáng) 度鋼超高周加速疲勞試驗(yàn)方法的確立打下基礎(chǔ)。 1 4 2 論文的組成及技術(shù)路線 本論文由五章組成，第l 章是緒論，重點(diǎn)講述了疲勞研究的回顧，超高 周疲勞研究現(xiàn)狀，以及本論文的研究目的和內(nèi)容；第2 章講述了g c r l 5 鋼旋 轉(zhuǎn)彎曲加載下的超高周疲勞特性；第3 章講述了g c r l 5 鋼在超聲軸向拉一壓 加載下的超高周疲勞行為的研究；第4 章講述了g c r l 5 鋼在常規(guī)軸向拉一壓 加載下的超高周疲勞行為的研究；第5 章討論了g c r l 5 鋼超高周疲勞試驗(yàn)方 法的可行性研究。最后對全文進(jìn)行了總結(jié)，示意圖如圖1 2 所示。下面對第 2 5 章的主要內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)描述。 第2 章的主要內(nèi)容如下： 使用5 2 ，5 h z 四軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，以g c r l 5 鋼為研究對象，開展 了1 0 3 1 0 9 周次的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。通過對疲勞鯽試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)評估， 獲得了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞孓曲線和p - s - n 曲線，分析了旋轉(zhuǎn)彎曲加載條件下高 強(qiáng)度鋼的鯽曲線特征：然后使用電子顯微鏡和l e i e a 光學(xué)顯微鏡詳細(xì)觀察 了裂紋萌生位置處及其附近的典型特征，包括是否存在o d a 現(xiàn)象，分析了 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 1 頁 裂紋萌生的原因，使用斷裂力學(xué)的理論分析了裂紋萌生和擴(kuò)展的力學(xué)條件： 基于斷口觀察的結(jié)果，同時(shí)測定了裂紋萌生階段的裂紋尺寸參數(shù)，使用s e v 預(yù)測了鋼中最大夾雜和o d a 的尺寸，推定了鋼的疲勞強(qiáng)度。 第3 章的主要內(nèi)容如下： 使用2 0 k h z 超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)，對g c r l 5 軸承鋼開展了1 0 7 1 0 1 0 壽命范 圍內(nèi)的超聲軸向拉一壓加載超高周疲勞行為的研究。在不同的冷卻方式下， 獲得了其超聲軸向加載疲勞$ - n 曲線；然后使用電子顯微鏡和l e i c a 光學(xué)顯 微鏡詳細(xì)觀察了裂紋萌生位置處及其附近的典型特征，包括是否存在o d a 現(xiàn)象，分析了裂紋萌生的原因，測定了裂紋萌生階段的裂紋尺寸參數(shù)，使用 斷裂力學(xué)的理論分析了裂紋萌生的力學(xué)條件。 第4 章的主要內(nèi)容如下： 使用r u m u l 2 5 0 k n 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，對g c r l 5 軸承鋼開展了1 07 1 0 9 壽命范圍內(nèi)的常規(guī)軸向加載超高周疲勞行為的研究。獲得了其常規(guī)軸向拉一 壓疲勞s - n 曲線；然后使用l e i c a 光學(xué)顯微鏡詳細(xì)觀察了裂紋萌生位置處及 其附近的典型特征，包括是否存在o d a 現(xiàn)象，分析了裂紋萌生的原因，使 用斷裂力學(xué)的理論分析了裂紋萌生的力學(xué)條件；基于斷口觀察的結(jié)果，同時(shí) 測定了裂紋萌生階段的裂紋尺寸參數(shù)，使用s e v 方法預(yù)測了鋼中最大夾雜的 尺寸，推定了鋼的疲勞強(qiáng)度。 第5 章的主要內(nèi)容如下： 遙過對旋轉(zhuǎn)彎曲、超聲和常規(guī)軸向拉一壓疲勞試驗(yàn)結(jié)果的對比與分析， 考察了旋轉(zhuǎn)彎曲和常規(guī)軸向拉一壓疲勞強(qiáng)度的等效性，分析了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞 試驗(yàn)方法和超聲疲勞試驗(yàn)方法的使用范圍。 1 4 3 創(chuàng)新點(diǎn) 高強(qiáng)度鋼超聲加速疲勞試驗(yàn)方法的可行性研究。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第12 頁 圖l - 2 技術(shù)路線框圖 西南