题目：S06钢超声疲劳长寿命P-S-N曲线及其构件概率疲劳设计方法研究

随着工业技术的发展，许多工程构件的疲劳设计寿命达到107周次以上，而一般金属材料长寿命构件的疲劳设计采用无限寿命设计方法，认为当构件的工作应力小于其疲劳极限时，构件可长期安全使用。近年来，金属材料超高周疲劳研究发现，大部分金属材料在循环周次大于107周次的超高周范围仍然会发生疲劳破坏，而且107到109周次之间，疲劳强度下降很多，因此用无限寿命设计方法变得不安全。本研究所采用的S06钢是一种新型高强度马氏体沉淀硬化不锈钢，用于某卫星关键零部件的制造，该部件在工作过程中承受交变载荷作用，设计寿命在109周次左右。因此必须对其长寿命范围疲劳性能进行测量，同时对S06钢长寿命范围的裂纹萌生情况进行研究。传统的疲劳试验方法受到频率限制，很难进行循环周次大于107周次的超高周疲劳试验。超声疲劳试验方法是一种加速共振试验方法，加载频率高达20kHz。本文采用这种国际上流行的加速疲劳试验方法，对S06钢进行106～109周次范围内的疲劳性能试验。试验结果表明在循环周次大于107周次的超高周范围，S06钢仍然会发生疲劳断裂，在106～109循环周次范围内，应力寿命曲线持续下降，不存在疲劳极限，不能按照无限寿命设计方法对S06钢长寿命构件进行疲劳设计。由于超声疲劳试验方法还不成熟，尚未实现标准化，因此在试验中必须考虑到可能影响试验结果的各种因素。本文采用与超声疲劳试验加载方式相同、试样尺寸相近的高频疲劳试验方法对S06钢中寿命范围疲劳性能数据进行测量，将超声和高频疲劳试验结果进行对比，研究超声加载频率对S06钢疲劳性能的影响，并研究超声疲劳试验方法对S06钢疲劳裂纹萌生位置的影响。结果发现在超声加载频率下获得的S06钢的疲劳强度较高，结合S06钢的晶体结构和环境对疲劳裂纹萌生扩展的影响，对S06钢疲劳性能的频率效应进行了合理解释。对超声疲劳试样和高频疲劳试样的断口进行观察，发现两种试验中的裂纹萌生位置有所不同，超声疲劳试样裂纹全部为表面萌生，而高频疲劳试验中存在裂纹表面萌生和内部萌生两种情况。对未加载和经过一定周次加载未断裂的超声疲劳试样表面残余应力进行测量，首次发现超声疲劳试样的高频共振状态使试样表面由机械加工引入的残余压应力大幅松弛的现象，对用超声疲劳试验方法研究裂纹萌生机制有重要指导意义。采用表面化学抛光去掉残余应力层的高频疲劳试样和表面喷丸强化的超声疲劳试样进行试验，结合磨削试样的超声疲劳和高频疲劳试验结果，分析和总结了影响疲劳裂纹萌生位置的各种因素。综合各影响因素，依据局部疲劳失效判据，提出了裂纹萌生位置判别因子，该判别因子能够描述疲劳裂纹萌生位置各种影响参量间的关系，并且能够对裂纹萌生位置作出定性的预测，为疲劳设计和提高构件疲劳强度提供了依据。由于超声疲劳试样发热严重，本文采用先进的红外热像技术对超声疲劳试验和高频疲劳试验过程中的试样表面温度进行测量，分析和总结了疲劳试验过程中试样的热耗散规律。依据热耗散规律研究了控制试样温度的方法，提出在应力水平较高时应加强加载初期对超声疲劳试样中部的温度控制。为了全面表达各种存活率下的疲劳寿命与应力水平的关系，为S06钢概率疲劳设计提供基础，在S06钢超声疲劳试验数据的基础上对长寿命P-S-N曲线进行了拟合。将采用各种小子样数据处理方法和各种应力寿命模型得到的拟合结果进行比较，最终选用拟合效果最好的线性异方差回归方法和三参数幂函数模型对超声疲劳试验数据进行拟合。在P-S-N曲线拟合过程中考虑了长寿命范围疲劳寿命的概率分布和疲劳裂纹萌生位置，同时考虑超声频率效应对S06钢的超声疲劳试验数据进行了修正，得到了可用于S06钢工程构件疲劳设计的长寿命P-S-N曲线。依据S06钢长寿命P-S-N曲线，对超高周范围一定周次下的疲劳强度概率分布情况进行了研究，得到了对疲劳强度数据的拟合效果最好的概率分布函数。对S06钢长寿命构件进行疲劳设计时，考虑到S06钢在循环周次小于109周次的范围内没有出现疲劳极限，而且长寿命范围疲劳性能数据的分散性较高，应对构件进行概率疲劳设计。以S06钢长寿命P-S-N曲线为依据，按照概率疲劳设计原理编制了S06钢长寿命构件概率疲劳设计软件，为S06钢工程构件的长寿命疲劳设计提供了可能。