题目：金属材料超高周疲劳行为与寿命预测研究

随着现代工业技术的发展，现代工程中关键零部件在长期服役过程中会承受超过107周次交变应力，而金属材料在疲劳循环周次超过107周次仍然会发生断裂，即不存在传统的疲劳极限。而且，现代结构部件多半承受变幅载荷，如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。本文围绕材料微观结构、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与寿命预测，为我国关键部件超长寿命设计提供理论依据。

本文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DKFGA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。

采用超声疲劳试验的方法，研究了典型表面处理工艺（喷丸处理与阳极氧化）对金属材料的超高周疲劳行为的影响。研究结果表明，材料的表面状态显著影响金属材料的超高周疲劳行为。喷丸处理促进了3Cr13高强度钢疲劳裂纹的内部萌生，降低了超高周疲劳性能。基于疲劳小裂纹扩展理论，定量分析喷丸处理的亚表面残余拉应力对3Cr13高强度钢的超高周疲劳强度与寿命的影响。铬酸阳极氧化（CAA）与硫酸阳极氧化(SAA)处理降低了2A12铝合金的超高周疲劳性能，疲劳裂纹萌生于氧化膜与基体界面。CAA氧化膜与基体的残余拉应力及SAA氧化膜的缺陷可能是2A12铝合金的超高周疲劳性能的原因。基于EI Haddad的小裂纹理论与Paris小裂纹扩展理论，定量分析SAA氧化膜缺陷对2A12铝合金的超高周疲劳强度与寿命的影响。

以典型航空结构材料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。研究结果表明，低周疲劳预损伤显著降低了TC21钛合金的超高周疲劳性能。应力幅950MPa的10%与20%寿命预损伤的疲劳极限从未预损伤的430MPa分别降至350MPa与250MPa。应力幅950MPa的5%寿命预损伤后的疲劳极限没有明显的降低，但在较高应力幅下的疲劳寿命显著降低。采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。对TC21钛合金含低周疲劳预裂纹的扩展过程进行了动态观测，建立了低周疲劳预裂纹扩展速率da/dN与DK之间的关系，并对含低周疲劳预裂纹的扩展寿命进行预测。在近屈服强度应力幅与略高于或近疲劳极限应力谱块疲劳中，少量周次的近屈服强度应力幅疲劳损伤降低了材料的疲劳性能，低周疲劳形成的微裂纹在近疲劳极限应力幅下发生扩展至断裂。与低周疲劳预损伤相比，TC21钛合金低周疲劳形成的微裂纹在低应力幅下容易被捕获，提高了近屈服强度应力幅的循环周次。略高于疲劳极限应力幅对TC21钛合金疲劳损伤有贡献，但线性累积损伤理论是不适用于应力谱块的疲劳损伤分析。

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。