氢在高强钢的超高周疲劳中的作用机理

材料的疲劳以及与此相关的安全设计一直是人们十分关心的问题。随着技术和需求的发展，在许多工业应用中，包括飞行器、汽车、铁路、桥梁、船舶等部件的疲劳寿命通常要求在1E8周次以上，有时甚至达到1E11周次。将循环周次大于1E7周次的疲劳称为超高周疲劳，也称为超长寿命疲劳。随着钢强度的提高，钢的氢脆敏感性明显增加，当前广泛使用的许多机械零部件均是淬火、回火后的高强钢，抗拉强度Rm≥1500 MPa，具有很高的氢脆敏感性；另一方面，许多零部件在运行的过程中不可避免的受到外界腐蚀环境或氢环境的影响。因此，结合上述的两个方面，有必要研究氢对高强钢的超高周疲劳性能的影响，并需要从微观角度深入研究氢在高强钢超高周疲劳行为中的作用机理，从中找出规律用以指导实践。

根据疲劳寿命划分，将疲劳循环数超过1E7周次的疲劳称为超高周疲劳。近年来，随着航空航天、汽车、高速列车和轮船等工业的快速发展，其中一些重要工程构件，经受的疲劳循环已经达到1E8～1E10周次。因此，材料在1E7周次以上超长寿命下的疲劳行为研究必须引起研究人员和工程技术人员的重视。高强钢的超高周疲劳研究就是在这一工业背景下提出的；同时，考虑到高强钢的氢脆敏感性，以及许多钢材关键部件在使用过程中也会不可避免地受到外界环境（腐蚀性环境、氢环境）的影响。因此，研究高强钢的超高周疲劳破坏机理并分析氢对高强钢的超高周行为的影响是十分必要的。.本项目针对这一工业背景，研究了高强钢的超高周疲劳行为的影响并分析了氢在超高周疲劳中的作用机理。主要的研究内容如下：.1..研究了BM（贝氏体+马氏体）双相钢的超高周疲劳行为；发现疲劳裂纹从贝氏体处萌生，而不从夹杂物处开裂。.2..通过电化学充氢方法和高压气相热充氢方法研究了不同种类的氢对高强钢的超高周疲劳行为（对S-N曲线、疲劳强度、断口形貌）的影响，并进一步分析了氢在超高周疲劳中的作用；发现无论哪种充氢方法均明显降低了疲劳强度，非扩散氢明显改变了裂纹源处的形貌，与可扩散氢相比非扩散氢在裂纹尖端产生了更大的附加应力场。.3..采用两步变幅加载技术定性研究了GBF中的裂纹萌生与扩展规律，并通过数据拟合定量建立了GBF中的裂纹扩展规律；研究表明GBF中的裂纹扩展规律近似符合复合幂函数方程。.4..采用两步变幅加载技术建立了高强钢的1E9周次的疲劳极限表达式，该表达式能较好地预测高强钢的1E9周次的疲劳极限。.本项目实施以来，已发表相关论文共计11篇，其中SCI、EI收录论文9篇，在投稿件5篇。.发表的相关论文表明我们的工作得到了国内外的同行、专家的认可，更主要的是通过本项目的研究为工程应用提供了指导依据，并为进一步揭示超高周疲劳破坏的本质提供了可供借鉴的参考。