金属材料超高周/低周复合疲劳损伤机理研究

超高周疲劳是很多在役航空航天关键零部件面临的服役环境，而在设计时并未考虑超高周疲劳的问题。本项目以航天用高强马氏体不锈钢为研究对象，拟从低周疲劳预损伤对超高周疲劳影响规律以及超高周疲劳预损伤对低周疲劳影响规律的试验研究入手，对低周疲劳显微裂纹在超高周载荷下的扩展行为、含低周疲劳预损伤（无显微裂纹）试样在超高周载荷下的裂纹萌生机制、含超高周疲劳预损伤试样在低周疲劳载荷下的裂纹萌生机制进行深入的研究，重点探讨交变应力水平及载荷历程与材料疲劳微观损伤特征之间的关系，揭示超高周/低周复合疲劳裂纹萌生的控制参量，为变幅疲劳寿命预测提供理论基础，并为承受类似疲劳载荷历程的零部件的定寿和可靠性分析提供科学依据。

超高周疲劳是很多在役航空航天关键零部件面临的服役环境，而在设计时并未考虑超高周疲劳的问题。航空结构件在飞行中承受高频低幅振动载荷的同时，会承受一个由于起飞和降落产生的低频高幅交变载荷。本项目围绕材料微观结构、表面状态与载荷的交互作用三个因素，系统研究了金属材料超高周疲劳行为，为我国航空关键部件超长寿命设计提供理论依据。. 采用超声疲劳试验的方法，研究了三种典型航空结构材料3Cr13高强度钢、2A12铝合金与TC21钛合金的超高周疲劳行为。典型金属材料的超高周疲劳S-N曲线特征与金属材料微观结构有关。含有内部夹杂3Cr13高强度钢超高周疲劳S-N曲线为连续下降特征，而对于没有内部缺陷的2A12铝合金与TC21钛合金，其超高周疲劳S-N曲线呈现双台阶特征，存在表面萌生与内部萌生的转变平台。三种金属材料超高周疲劳裂纹源区断口均为细晶粒区特征，细晶粒区的形成可能与金属材料较高的层错能有关。细晶粒区的应力强度因子KFGA在一定范围内为恒值，与疲劳寿命没有直接的关系，可以作为疲劳裂纹扩展门槛ΔKth。当疲劳裂纹强度因子低于疲劳裂纹扩展门槛值时，疲劳裂纹以孔洞连接的方式进行扩展，形成细晶粒特征。. 以TC21钛合金为研究对象，采用低周疲劳与超声疲劳试验方法，研究了金属材料超高周复合疲劳行为。结果表明，低周疲劳预损伤显著降低了TC21钛合金的超高周疲劳性能。应用小裂纹理论分析了低周疲劳预裂纹对TC21钛合金疲劳极限的影响，并建立了含低周疲劳预裂纹的TC21钛合金Kitagawa图。基于Lemaitre损伤力学，建立了金属材料的低周疲劳、超高周疲劳及超高周复合低周疲劳寿命预测模型。超高周疲劳寿命预测模型研究表明，金属材料超高周疲劳S-N曲线特征与材料内部应力集中相关。疲劳寿命预测模型的预测值与低周疲劳预损伤、应力谱块疲劳试验结果比较吻合。基于疲劳损伤的寿命预测模型为金属材料超高周复合疲劳寿命的预测提供了一个新的方法。