何柏林，張枝森，謝學濤，封亞明

（華東交通大學機電與車輛工程學院，江西 南昌330013）

加載環(huán)境對合金超高周疲勞行為的影響

何柏林，張枝森，謝學濤，封亞明

（華東交通大學機電與車輛工程學院，江西 南昌330013）

疲勞斷裂涉及到能源動力、交通運輸、海洋工程、冶金工程等領域，其中對關鍵部件材料在特定環(huán)境下承受低應力、高周期變載作用的研究顯得尤為重要。傳統(tǒng)的疲勞均是在疲勞循環(huán)周次小于107次，屬低周或高周疲勞范疇。近年來材料的超高周疲勞研究表明，很多金屬材料在107周次以上仍然發(fā)生疲勞斷裂，不存在疲勞極限，用107的條件疲勞極限對長壽命構件進行無限壽命設計并不安全。本文綜述了近20年國內(nèi)外學者對合金在特定加載環(huán)境（溫度與介質(zhì)）下超高周行為的研究現(xiàn)狀，并對其研究前景進行了展望。

加載環(huán)境；溫度；合金；超高周疲勞行為

20世紀80年代，日本學者Naito等［1］發(fā)現(xiàn)了滲碳鋼在承受了108周次的應力循環(huán)后依舊會發(fā)生疲勞破壞的現(xiàn)象。此后，各國學者對多種金屬材料進行的大量疲勞試驗證明，許多材料只有耐久極限或疲勞強度，傳統(tǒng)規(guī)范中的“疲勞極限”并不存在，由此開辟了新的研究熱點領域——超高周疲勞（Very high cycle fatigue，又稱Ultra-high cycle fatigue，Gigacycle fatigue或Ultra-long life fatigue）。目前，針對合金超高周疲勞的研究主要集中在以下方面:S-N曲線的特征，疲勞裂紋源的萌生機理，裂紋萌生階段和裂紋擴展階段的準確界定以及其壽命預測的數(shù)學模型，影響超高周疲勞行為的因素等。

雖然近些年來超高周疲勞的研究取得了豐碩的成果，但其試驗數(shù)據(jù)大都是在常溫大氣環(huán)境下測量所得。實際上，工程中的許多合金構件需要在特定的加載環(huán)境（環(huán)境溫度、環(huán)境介質(zhì)）下服役。比如:現(xiàn)代超超臨界汽輪機的轉(zhuǎn)子在服役期內(nèi)需要在600℃的環(huán)境下承受1010～1011周次的疲勞載荷［2］。航空發(fā)動機在服役期內(nèi)，壓氣機葉片在腐蝕環(huán)境中要承受的疲勞載荷高達109～1012周次［3］。海上石油平臺的系泊鏈在服役30年間要經(jīng)受海浪9.5×107～9.5×108次的小載荷沖擊［4］。隨著工業(yè)化技術的發(fā)展，高齡化設備的開發(fā)涉及到了能源動力、交通運輸、海洋工程、生物醫(yī)藥等領域，其中對關鍵部件材料在特定環(huán)境下承受低應力、高周期變載作用的研究顯得尤為重要。本文綜述了近20年國內(nèi)外學者對合金在特定加載環(huán)境下超高周行為的研究現(xiàn)狀，并對其研究前景進行了展望。

1 環(huán)境溫度的影響

合金的超高周疲勞行為會受到加載方式、加載頻率等試驗方法的影響，也會受到材料強度、表面狀況、化學成分、組織結(jié)構等材料自身性能的影響。目前國內(nèi)外學者對上述問題進行了大量研究，但是關于環(huán)境溫度影響合金超高周疲勞行為的報道相對較少。

謝少雄等［5-7］利用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機，對CrMoW轉(zhuǎn)子鋼在常溫和600℃兩種環(huán)境下進行了50 Hz的疲勞試驗，結(jié)果表明溫度對轉(zhuǎn)子鋼的超高周行為有顯著的影響。如圖1所示，兩條S-N曲線都不存在傳統(tǒng)的“疲勞極限”，高溫下的S-N曲線呈直線下降的趨勢。在同一循環(huán)周次下，高溫環(huán)境下對應的疲勞強度遠低于常溫下的疲勞強度。由試樣表面分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過600℃下的超高周疲勞試驗后，試樣表面覆蓋了一層脆性的氧化膜，如圖2所示。氧化膜附近存在許多空穴和孔洞會促進疲勞裂紋的萌生。觀察600℃條件下的試樣斷口形貌發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋的萌生區(qū)和初始擴展區(qū)普遍存在非金屬夾雜物。侯方等［2］對CrMoW鋼開展的高溫超聲疲勞試驗發(fā)現(xiàn)，這些內(nèi)部萌生的非金屬夾雜物的臨界尺寸會因為溫度的升高而降低，并且夾雜物尺寸會隨著保溫時間的延長而增大，這為誘發(fā)疲勞微裂紋創(chuàng)造了條件。在進行高溫疲勞試驗過程中，試樣表面和次表面的夾雜都會形成疲勞微裂紋，并且各自沿著原有路徑進行擴展，接著兩部分的裂紋會逐漸匯合，使得初始裂紋擴展迅速，導致疲勞壽命的降低。文獻［7］計算600℃下CrMoW鋼裂紋擴展門檻值為△Kth=2.685 MPa.m1/2，次表面臨界夾雜物直徑φinc=4.1 μm。文獻［5］利用高精度位移傳感器監(jiān)測試樣擾度的變化，以確定裂紋萌生和擴展的分界點。結(jié)果證明當疲勞壽命Nf大于107時，裂紋萌生階段的時間占了疲勞壽命的99%。溫度幾乎不影響裂紋萌生壽命的占比。

圖1 CrMoW鋼的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞數(shù)據(jù)［5］Fig.1 Rotating bending fatigue data of CrMoW steel［5］

圖2 600℃條件下試樣的表面形貌［6］Fig.2 Specimen surface morphology at 600℃［6］

顧玉麗等［8］研究了不同溫度下DZ125高溫合金超高周疲勞裂紋的萌生機制與擴展特征。室溫下，疲勞裂紋皆萌生于試樣表面；700℃下，疲勞裂紋皆萌生于試樣亞表面。超高周范圍內(nèi)，不同溫度下的斷口源區(qū)都沒發(fā)現(xiàn)高強鋼裂紋內(nèi)部萌生的“魚眼”形貌特征。一般合金材料超高周疲勞裂紋更趨向于在內(nèi)部萌生，在低載荷的循環(huán)作用下表面難以形成駐留滑移帶“PSB極限”，而夾雜物或小晶粒等材料內(nèi)部缺陷反而更易誘發(fā)疲勞微裂紋［9］。Bathias［10］認為，材料在低載荷高周期的作用下，材料內(nèi)部的晶粒更容易因為承受應力集中而產(chǎn)生塑變，進而萌生疲勞裂紋。Murakami［11］則提出了材料缺陷處應力強度因子幅△Kinc的計算公式，當△Kinc＞△Kth，裂紋便在此處萌生和擴展，材料內(nèi)部和外部缺陷尺寸的大小決定了疲勞源的位置。顧玉麗認為，試樣在高溫下承受的載荷較低（高溫下載荷范圍:290～250 MPa；室溫下載荷范圍:500～290 MPa），表面難以形成“PSB極限”。而且在低載荷范圍內(nèi)，試樣整體處于彈性應變的狀態(tài)，此時材料內(nèi)部彈性應變的差異是導致裂紋萌生的主因。不同溫度下，DZ125高溫合金裂紋擴展方式均分為兩個階段:剪切模式擴展與拉伸模式擴展。室溫下裂紋以拉伸模式擴展為主，而高溫下裂紋以剪切模式擴展為主。

Wagnera等［12］分別將奧氏體鋼在室溫和700℃條件下進行超高周疲勞試驗，并分別得到兩種條件下的S-N曲線。如圖3和圖4所示，室溫下的試驗數(shù)據(jù)較為離散，在超高周范圍內(nèi)的試樣并未發(fā)生疲勞破壞；高溫下的S-N曲線則呈直線下降的趨勢。幾乎所有失效試樣的疲勞裂紋皆萌生于表面，這主要與其表面形成的PSB有關。室溫下試樣在Nf大于108時不發(fā)生疲勞失效，這是因為試樣中部在經(jīng)歷了高周期的加載后產(chǎn)生了形變孿晶，形變孿晶的出現(xiàn)阻礙了PSB的形成。文獻［13］認為，常溫下奧氏體鋼層錯能較低，形變過程中會產(chǎn)生形變孿晶，但這部分孿晶會在退火過程中消失。Wagnera認為，試樣在700℃條件下進行超高周疲勞試驗，奧氏體鋼具有較高的層錯能，其交叉滑移極可能形成PSB，并最后形成主裂紋，導致疲勞失效。

Zimmermann［14］和Stocker［15］分別探討了溫度對鎳基合金80A超高周疲勞行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)在同一循環(huán)周次下，高溫（800℃）會極大地降低試樣的疲勞強度。一般在高溫環(huán)境下，合金材料的抗拉強度會降低，會相應地減弱其抗疲勞性能［15-16］。高溫導致材料內(nèi)部熱激活過程較為活躍，有利于位錯的運動，增大了疲勞裂紋萌生的機會［14，17］。高溫條件下，裂紋尖端處金屬會因為暴露在空氣中而被氧化變脆，導致裂紋尖端的塑性變形鈍化困難，使得裂紋擴展迅速，從而降低材料了的疲勞壽命［5，18］。綜上所述，溫度會極大影響合金的超高周行為，由于高溫帶來的試樣表面氧化與材料內(nèi)部劣化，會改變疲勞裂紋的萌生與擴展。超高周范圍內(nèi)，試樣疲勞失效的主因是低載荷與溫度共同作用的結(jié)果。

圖3 奧氏體鋼在室溫下的S-N曲線［12］Fig.3 S-N curve of austenitic steel at room temperature［12］

圖4 奧氏體鋼在700℃下的S-N曲線［12］Fig.4 S-N curve of austenitic steel at 700℃［12］

2 環(huán)境介質(zhì)的影響

近年來，國內(nèi)外學者研究了合金材料在真空、水蒸氣、NaCl溶液、乙醇、海水、生物燃料等不同環(huán)境介質(zhì)下的超高周行為，并分析了機械力與介質(zhì)的相互作用，探索了超高周疲勞裂紋萌生與擴展的機理。

Nakajima等［19］分別在干燥空氣、實驗室空氣、蒸餾水3種介質(zhì)中對高強鋼進行52.5 Hz下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗，結(jié)果如圖5所示?？諝鉂穸蕊@著影響高強鋼的S-N特征，干燥空氣和實驗室空氣下的S-N曲線皆呈“階梯狀”，但濕度較大的S-N曲線平臺應力要小于相應干燥空氣下的平臺應力。由于蒸餾水能活化試樣表面，疲勞裂紋均在表面萌生，導致試樣在Nf大于105后的疲勞強度要遠低于空氣中的疲勞強度，蒸餾水環(huán)境下的S-N曲線呈現(xiàn)連續(xù)下降的趨勢。Tokaj等［20］進一步探究了濕度對高強鋼疲勞裂紋萌生位置的影響，如圖6所示。在干燥空氣下，超高周疲勞裂紋均萌生于材料內(nèi)部。隨著濕度的增大，高強鋼疲勞裂紋更趨向于在表面萌生。濕度越大，高強鋼相應的疲勞強度越低。

Petit等［21］探究了真空和空氣中Ti-6Al-4V合金裂紋擴展速率的差異，如圖7所示。研究發(fā)現(xiàn)，頻率的不同不會影響裂紋的擴展速率，而且合金在空氣中的△Kth值為2.6 MPa.m1/2，在真空中的△Kth值為2.7 MPa.m1/2。雖然兩種環(huán)境下的△Kth值相差無幾，但其擴展速率卻有顯著的差異，空氣中裂紋擴展速率最大要高于真空中擴展速率3個量級?？諝庵兴羝奈阶饔檬菍е缕诹鸭y快速擴展的主因。近期，Geathers等［22］對Ti-6242S合金在不同壓強的水蒸汽環(huán)境下進行超聲疲勞試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水蒸氣壓強越大，材料的疲勞裂紋擴展速率也越大。

Holper等［23］以不同的加載頻率（20 Hz和20 kHz）研究了鋁合金在真空和空氣中的超高周疲勞行為。結(jié)果證明加載頻率的不同（即應變率的不同）并不影響鋁合金的△Kth值，濕度會明顯影響其△Kth值和裂紋擴展速率△a/△N。真空中最大的擴展速率為5×10-12m/cycle，空氣中最大擴展速率為5×10-10m/cycle。當△a/△N=3.5×10-13m/cycle時，空氣中對應的△Kth值為真空中的60%～90%。隨后進一步探討了應力比（R=-1，0.05，0.5）對鋁合金在這兩種環(huán)境介質(zhì)下的影響［24］，研究顯示當R=0.5時相應的疲勞裂紋擴展速率最大。這與文獻［25］的研究結(jié)論一致。Stanzl-Tschegg等［26］對高強鋼在裂紋擴展近門檻區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，加載環(huán)境濕度越大，材料相應地具有更高的裂紋擴展速率和更低的應力強度因子門檻值。

張彭一［27］和Qian［28-30］在空氣和3.5%NaCl溶液中分別對鋼進行了常規(guī)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞測試（f=52.5 Hz），分析了鋼在不同環(huán)境介質(zhì)下疲勞裂紋萌生與擴展的機理。張彭一發(fā)現(xiàn)兩種環(huán)境下獲得的2Cr13鋼S-N曲線都呈現(xiàn)“階梯狀”:在Nf=106～108范圍內(nèi)，腐蝕環(huán)境下的疲勞極限為250 MPa，遠小于空氣環(huán)境下530 MPa的疲勞極限，兩者在Nf大于108后依舊會發(fā)生疲勞失效?？諝猸h(huán)境下，疲勞裂紋皆萌生于試樣表面或亞表面，斷口中并未發(fā)現(xiàn)類似“魚眼”的形貌特征。腐蝕環(huán)境下，裂紋主要在表面或表面夾雜處萌生，且疲勞裂紋源的個數(shù)會隨著應力水平的提高而增加。Qian等［28］在3.5%NaCl溶液中獲得的45Cr結(jié)構鋼S-N曲線呈連續(xù)下降的趨勢，并不存在所謂的疲勞極限，如圖8所示。腐蝕環(huán)境明顯弱化了試樣的疲勞強度，當Nf=107，腐蝕環(huán)境下的疲勞強度僅為空氣中的10%，當Nf=108時，這一比值降到了5.8%。在超高周范圍內(nèi)，空氣環(huán)境下的疲勞裂紋趨向于在內(nèi)部萌生并具有“魚眼”形貌。與張彭一的發(fā)現(xiàn)一致:腐蝕環(huán)境下疲勞裂紋的萌生具有多裂紋源的特征，在穩(wěn)定擴展階段，裂紋沿晶界擴展并發(fā)現(xiàn)有沿晶二次裂紋。在載荷與介質(zhì)的相互作用下，疲勞裂紋面比值隨著循環(huán)周次的增加而增加。近期，Qian等在文獻［29-30］中建立了高強鋼在不同環(huán)境介質(zhì)下超高周疲勞壽命的數(shù)學預測模型，模型預測結(jié)果與試驗觀測結(jié)果相吻合。

圖5 高強鋼在不同環(huán)境介質(zhì)的S-N曲線［19］Fig.5 S-N curve of high strength steel in various environmental media［19］

圖6 空氣濕度對高強鋼裂紋萌生的影響［20］Fig.6 Effects of humidity on crack initiation behavior in high strength steel［20］

圖7 實驗環(huán)境對鈦合金疲勞裂紋擴展速率的影響［21］Fig.7 Effect of experimental environment on fatigue crack growth rate of titanium alloy［21］

圖8 45Cr結(jié)構鋼在不同環(huán)境介質(zhì)的S-N曲線［28］Fig.8 S-N curve of 45Cr structural steels in various environmental media［28］

曹小建［31］在對醫(yī)用植入材料TC4鈦合金超高周疲勞性能的研究發(fā)現(xiàn)，試樣經(jīng)生理鹽水浸泡24 h后，其超高周疲勞行為與未經(jīng)浸泡試樣并無明顯區(qū)別，且皆為穿晶塑性斷裂。文獻［32］研究表明，純乙醇對TC4鈦合金疲勞壽命無明顯影響，但其疲勞性能對含水乙醇溶液具有一定的敏感性。在Nf=104～109范圍內(nèi)，經(jīng)醫(yī)用酒精浸泡后的TC4鈦合金S-N曲線呈連續(xù)下降趨勢，且在應力范圍300～700 MPa內(nèi)下降快速，而沒有酒精浸泡材料S-N曲線則為緩慢下降趨勢。董鑫等［3］發(fā)現(xiàn)酸性溶液（PH=4）會降低TC17鈦合金的超高周疲勞性能，但降低的幅度不大。因腐蝕產(chǎn)生的微小點蝕坑增大了試樣表面的粗糙度，疲勞裂紋一般就在這些蝕坑中形成。

法國的相關學者［4，33-34］發(fā)現(xiàn)海水會顯著影響不銹鋼的超高周疲勞性能。試驗采用系泊鏈用R5鋼，分別在空氣、預腐蝕條件以及模擬海水流動條件下進行超高周疲勞試驗。結(jié)果顯示:當Nf=3×108時，模擬海水流動條件下的疲勞強度相對于預腐蝕條件和無腐蝕條件下分別降低了71%和74%。試樣表面腐蝕坑的形成是疲勞壽命顯著降低的主因。德國的學者Schmid等［35-36］研究表明，在無加載的情況下，生物燃料E85（即85%乙醇和15%汽油）并不會對X90CrMoV18鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕損壞，但是它會顯著降低其超高周疲勞性能，其機械力與腐蝕介質(zhì)共同作用的機理尚需進一步研究。

3 結(jié)束語

合金的超高周疲勞行為受到諸多因素的影響，國內(nèi)外學者對此進行了大量研究，但關于加載環(huán)境影響合金超高周疲勞行為的報道相對較少。隨著工業(yè)化技術的發(fā)展，高齡化設備的開發(fā)涉及到了能源動力、交通運輸、海洋工程、生物醫(yī)藥等領域，其中對關鍵部件材料在特定環(huán)境下承受低應力、高周期變載作用的研究顯得尤為重要。以目前的研究成果作為基礎，以下幾個方面值得關注。

1）相比低周和高周疲勞階段，加載環(huán)境對合金材料超高周疲勞行為的影響更加顯著，其機械力與環(huán)境介質(zhì)、溫度相互作用的機理更加復雜。在借鑒加載環(huán)境對低、高周疲勞行為的大量研究成果上，有助于探索特定環(huán)境下合金超高周疲勞裂紋的萌生與擴展機制。

2）目前探索環(huán)境因素影響超高周疲勞行為的研究材料僅限于鋼、鋁合金和鈦合金等少數(shù)合金，需要加強其它常用金屬這方面的研究力度。

3）開發(fā)新型的超高周疲勞試驗機，以測試合金材料在模擬真實工況下的超高周疲勞數(shù)據(jù)，并且發(fā)展微小裂紋的測量和連續(xù)監(jiān)測技術。

4）研發(fā)適合特定加載環(huán)境下的高強度材料。

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［35］SCHMID S，HAHN M，ISSLER S，et al.Effect of frequency and biofuel E85 on very high cycle fatigue behaviour of the high strength steel X90CrMoV18［J］.International Journal of Fatigue，2014，60:90-100.

［36］MANFRED BACHER-HOECHST，STEPHAN ISSLER.Assessment of very high cycle fatigue（VHCF）effects in practical applications［J］.Procedia Engineering，2013（66）:26-33.

Influence of Loading Environment on Ultra-High-Cycle Fatigue of Alloy Material

He Bolin，Zhang Zhisen，Xie Xuetao，F(xiàn)eng Yaming
（School of Mechatronics and Vehicle Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Fatigue fracture is related to the energy power，transportation，ocean engineering，metallurgical engineering 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 researches on ultra-high cycle fatigue have indicated that the metal materials can fail after 107cycles，which breaks the traditional perception of infinite life. The condition fatigue limit of 107cycles is not safe for the design of long-life components.In this paper，the research status of the ultra high cycle behavior of the alloy material in the special loading environment（temperature and medium）is reviewed in recent twenty years，and its prospect is discussed.

loading environment；temperature；alloy material；ultra high cycle behavior

TG113.2

A

1005-0523（2016）05-0051-07

（責任編輯 劉棉玲）

2016－06－12

國家自然科學基金項目（51365014）；江西省工業(yè)支撐重點項目（20161BBE50072）；江西省自然科學基金項目（20151BAB206007）

何柏林（1962—），男，教授，博士，博士生導師，研究方向為材料強度與斷裂。