合金材料超高周疲劳裂纹萌生特征区的微纳观表征与形成机理

This project focuses on the two essential scientific issues regarding the crack initiation and the early growth of very-high-cycle fatigue (VHCF) for metallic materials: 1) detailed characterization and formation mechanism of characteristic region for crack initiation of metallic materials, and 2) the effects of loading frequency on crack initiation behavior and fatigue life of metallic materials. With a high-strength steel and a high-strength titanium alloy as test materials and by means of experimental investigations, this project attempts to perform following research tasks: S-N data of tested metallic materials with different microstructures under different loading frequencies, detailed characterization of microscopic feature for the region of crack initiation and early growth for VHCF of metallic materials, and the effects of loading frequency and applied stress ratio on the crack initiation behavior and the fatigue life for VHCF of metallic materials. The research goals are: 1) the characterization, from nano scale to hundred-micron scale, of detailed microstructural morphology for characteristic region of crack interior initiation in VHCF for metallic materials, and the clarification of the mechanism for crack interior initiation in VHCF; 2) the revelation of the effect of loading frequency on the crack initiation in VHCF for metallic materials, and the establishment of prediction model for the effect loading frequency on fatigue life; and 3) the revelation of the effect of applied stress ratio on the crack initiation in VHCF for metallic materials, and the development of description method for the effect of applied stress ratio on fatigue life.

本项目紧扣合金材料超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展的2个关键科学问题：(1)合金材料超高周疲劳裂纹萌生特征区的微结构精细特征与形成机制，(2)加载频率对合金材料超高周疲劳裂纹萌生行为和疲劳寿命的影响。本项目以高强合金钢和高强钛合金为例，以实验研究为主，布局了如下研究内容：具有不同初始微结构形态的合金材料在不同加载频率下的S-N数据；精细表征合金材料超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展特征区的微结构特征；加载频率和加载应力比对合金材料超高周疲劳裂纹萌生行为和疲劳寿命的影响。本项目研究目标是：(1)从纳米到百微米量级逐级表征合金材料超高周疲劳裂纹内部萌生特征区的微结构精细形态，阐明超高周疲劳裂纹内部萌生机理,(2)揭示加载频率对合金材料超高周疲劳裂纹萌生的影响规律，建立加载频率对疲劳寿命影响的预测模型,(3)揭示加载应力比对合金材料超高周疲劳裂纹萌生的影响规律，发展加载应力比对疲劳寿命影响的描述方法。

本项目针对高强合金超高周疲劳裂纹萌生行为的关键科学问题，开展了一系列的实验研究，取得了若干创新成果：(1) 首次揭示高强钢超高周疲劳裂纹萌生特征区 (FGA) 双裂纹面为纳米晶层，创造性提出了解释FGA形成机理的大数往复挤压 (NCP) 模型，颠覆了相关的已有模型；(2) 首次揭示钛合金超高周疲劳裂纹萌生特征区为纳米晶层且仅在负应力比情形出现，并揭示裂纹萌生区纳米晶层可在空气环境中形成；(3) 厘清了钛合金在不同应力比下的高周和超高周疲劳裂纹萌生特征区形态特征，阐明裂纹萌生特征区边沿应力强度因子与长裂纹扩展阈值相关；(4) 首次直接测得高强钢超高周疲劳裂纹萌生特征区亚临界裂纹扩展速率，该速率与萌生区外区域的裂纹速率良好衔接；(5) 厘清了加载频率对高强合金超高周疲劳特性的影响趋势：对于低强度材料，超声频率导致明显高的疲劳强度；对于高强度材料，加载频率影响弱化；(6) 获得了表层微结构梯度材料的超高周疲劳强度和疲劳裂纹扩展特性，并将疲劳裂纹扩展速率、应力强度因子和距表面深度归纳为一曲面来描述疲劳裂纹扩展规律；(7) 基于试样控制体积概念和统计分析，发展了评估试样尺寸影响疲劳性能的方法，由小试样结果预测了大试样的疲劳寿命，对高铁车轴的预测结果与实测结果良好符合。.本项目的创新成果在国际疲劳研究领域引起了重要学术影响，在重要学术期刊和重要学术会议发表论文46篇，包括SCI论文13篇，EI论文15篇。所发表的论文得到广泛引用，其中，Hong Y, et al, IJFatigue, 2016是该刊2016年所发表的407篇论文中被引次数最多的研究论文。项目负责人洪友士在重要国际大会和研讨会作12次特邀报告，特别是在疲劳领域最顶级的国际疲劳大会 (Fatigue 2018) 作特邀大会报告，在有广泛影响的欧洲断裂大会 (ECF21‒2016) 作首场特邀大会报告和在重要的国际超高周疲劳大会 (VHCF7‒2017) 作首场特邀大会报告。此外，本项目部分成果获一项中国力学自然科学二等奖，并获3项已授权发明专利。本项目培养毕业博士生4人，毕业硕士生2人。