金属材料超高周疲劳研究进展

JournalofMechanicalStrength

2009,31(6):979-985

金属材料超高周疲劳研究进展

RECENTDEVELOPMENTOFRESEARCHONVERYHIGHCYCLE

FATIGUEOFMETALMATERIALS

　张　峥　　钟群鹏　　胡燕慧韩邦成

(1.北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100083)

(2.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100083)HUYanHui　ZHANGZheng　ZHONGQunPeng　HANBangCheng

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,BeijingUniversityAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China)

(2.SchoolofInstrumentScienceandOpto-electronicsEngineering,BeijingUniversityAeronauticsandAstronautics,

Beijing100083,China)

摘要　随着机械装备很多关键零部件设计寿命的提高,超高周疲劳研究已经成为工程材料研究领域一个新的热点问题,近几十年来在世界各地得到广泛开展。文中综述国内外金属材料超高周疲劳研究取得的成果,特别是近十年来在金属材料超高周疲劳试验方法、疲劳行为特征、机理和寿命预测等方面的进展,重点讨论超高周疲劳裂纹萌生和扩展的研究中得到的试验结果和形成的理论模型。指出超高周疲劳研究现有理论和计算模型存在的不足,并提出几个值得进一步研究的问题和有价值的研究方法。

关键词　超高周疲劳　超声疲劳试验机　S—N曲线　内部裂纹萌生　疲劳寿命预测中图分类号　O346.2

Abstract　Withtheincreaseofdesignfatiguelifeofmanycriticalmechanicalcomponents,researchonveryhighcyclefatigue(VHCF)hasbecomeanewtopicforengineeringmaterialsresearchandhasbeingcarriedonallaroundtheworldinthepastdecades.NewmethodsandresultsofresearchonVHCFofmetalsinrecentyearsespeciallythelastdecadearesummarizedsuchasultrasonicfa-tiguetestingmethod,characteristicsofVHCFandsomelifepredictionmodelforVHCFetal.SometestingresultsoftheresearchesonVHCFcrackinitiationandgrowtharediscussedasafocus.SomeproblemsofexistingtheoriesandmodelsforVHCFarepointedoutandsomevaluableprospectiveresearchdirectionsandpracticalmethodsarediscussed.

Keywords　Veryhighcyclefatigue;Ultrasonicfatiguetestingmachine;S—Ncurve;Internalcrackinitiation;Predic-tionoffatiguelife

Correspondingauthor:HUYanHui,E-mail:[email protected],Tel:+86-10-82338105,Fax:+86-10-82317108Manuscriptreceived20070924,inrevisedform20080321.

1　引言

疲劳失效是工程构件的主要破坏形式之一,对金属材料疲劳行为的研究已历经了一个多世纪。1852年到1870年之间,德国铁路工程师Wöhler首次对车轴的疲劳问题进行系统的研究,提出S—N曲线和疲劳极

限的概念。此后的一百多年,S—N曲线和疲劳极限一直作为疲劳设计的依据。过去机械设备一般要求的寿命和强度较低,通常使用低碳钢等金属材料,疲劳试验

进行到10周次即可得到S—N曲线的水平段,因此一般当金属材料经10次循环而不破坏时,即认为它可承受无限次循环。

随着工业技术的发展,飞行器、汽车和高速列车等要求某些部件的疲劳寿命达到10周次以上,甚至到10

10周次。美国空军“发动机结构完整性大纲ENSIP(EngineStructuralIntegrityProgram)”已经增加了条例,规定“发动机部件高周疲劳寿命最低应达到10周次”。而且早在上世纪80年代日本学者就发现

7[2]

金属材料在10周次之后仍然可能发生疲劳破坏。因此基于传统S—N曲线和疲劳极限概念的无限寿命设计变得不准确甚至不安全。材料超高周次范围710(10～10周次)疲劳行为的研究越来越受到关注,特别是超声疲劳试验机的诞生,使过去不可能进行的超高周疲劳试验可以在短时间内完成,

使得这一领域

[1]

20070924收到初稿,20080321收到修改稿。

胡燕慧,女,1979年5月生,河北省蔚县人,汉族。北京航空航天大学材料科学与工程学院博士研究生,研究方向为材料的疲劳与断裂。通信

37。

　980机　　械　　强　　度

2009年　

的研究得到广泛开展。到20世纪90年代,超高周疲劳的研究已经在很多国家得到重视和发展,交流也越来越频繁。1981年在美国举行第一次超声疲劳国际会议,其中有很多关于超高周疲劳的研究。1998年6月,在巴黎召开第一次超高周疲劳国际会议,正式采用VHCF(veryhighcyclefatigue)这一名称,此后超高周疲劳国际会议每三年召开一次。在过去的十年中,各国材料研究者就超高周范围的材料疲劳行为进行大量更深入的试验研究,并且取得一定的成果。本文对近年来国内外金属材料的超高周疲劳研究成果进行总结,并提出一些有价值的研究方向和方法。

间内完成10周次内的疲劳试验。同时,超声疲劳试验机也存在一些问题,在试验过程中高频振动使试样发热,试验频率的大幅度提高可能使金属材料的疲劳性能发生变化(后面将详细阐述)。因此,目前一些学者仍坚持使用传统疲劳试验方法进行超高周疲劳研究,特别是日本学者在这方面做了大量试验,积累了很多有价值的数据

[11]159-167

。

3　金属材料超高周疲劳行为特征

金属材料在10周次之后的疲劳行为值得注意的特征主要为S—N曲线的形状和裂纹萌生和扩展规律。3.1　超高周范围S—N曲线形状

研究表明超高周范围S—N曲线的形状受到下列因素的影响,材料种类、载荷类型、试样形状、残余应力、夹杂物分布和试样数量等。对于不同的材料,光滑试样对称循环轴向拉压疲劳试验或旋转弯曲疲劳试验获得的10～10周次之间S—N曲线的形状大致可以分为四种情况,如图1所示。

[12]743

2　超高周疲劳试验方法

目前超高周疲劳研究主要采用两种设备进行,试验频率为0.5Hz～500Hz的传统疲劳试验机和越来越得到广泛使用的超声疲劳试验机。

1950年,Mason首先利用压电晶体和电磁共振技术进行疲劳试验,使振动频率达到20000Hz,开辟了超声振动技术在断裂力学领域的应用。应用超声疲劳

试验机完成10周次的疲劳试验仅需14小时,使传统方法不可能完成的试验变为现实。这一试验技术得到各国航空航天界的重视,最近三十年在世界各国得到迅速发展,其中技术最为领先的试验室有法国的Bathias实验室、奥地利的Stanzl实验室和日本的Ishii实验室。他们研制的试验机基本原理相同,包括几个主要部件,功率发生器、换能器以及与试样连接的能量放大器。早期的超声疲劳试验机只能进行简单的恒幅拉压疲劳试验,如今更为复杂的试验已经可以完成。Bathias实验室和Stanzl实验室开发的超声疲劳试验机可进行20K～1000℃温度范围内、压力30MPa之下的拉—压、拉—拉疲劳试验、微动疲劳试验、三点弯曲疲劳试验、扭转疲劳试验等,美国空军研究实验室(AirForceResearchLaboratory)的Nicholas等也在试图建立多轴应力状态超声疲劳试验机。目前,日本岛津公司和法国LASUR(LaseretMesure)公司在全世界出售超声疲劳试验系统,岛津公司超声疲劳试验机目前只能进行对称循环轴向拉压疲劳试验,LASUR公司则提供Bathias实验室开发的更为高端的超声疲劳试验机。我国西南交通大学在法国学者的帮助下建立超声疲劳试验系统,目前可以完成拉—压疲劳、拉—拉疲劳、三点弯曲疲劳等试验,主要针对铁路机车

[7-8]

用钢进行大量超高周疲劳研究。中科院金属研究所和钢铁研究总院则分别购买了岛津公司超声疲劳试验机,主要针对高强度钢进行超长寿命疲劳行为研[9-10]

究。

,[4][5]1449[6]

[3]

图1　金属材料高周—超高周范围S—N曲线形状汇总

Fig.1　TheS—Ncurvesofhighcyclefatigueand

veryhighcyclefatigue

一般低碳钢的S—N曲线在10左右出现水平段,之后疲劳强度下降不多,即图1中曲线1的形状

[13]

。而

日本学者对轴承钢SUJ2等金属材料通过旋转弯曲疲劳试验进行超高周疲劳研究,发现这些材料的S—N

曲线常在10～10出现平台,之后曲线继续下降,形成阶梯S—N曲线(stepwiseS—Ncurve)(图1中曲线2)。研究者曾经一度认为阶梯S—N曲线是金属材料超高周疲劳的典型特征,并将这种现象解释为由裂纹萌生位置的转移引起的。但同样材料的拉压疲劳试验结果则很少出现阶梯S—N曲线。这是因为旋转弯曲疲劳试样的最大应力位于试样表面,但超高周疲劳时旋转弯曲试样大部分从内部起裂,断裂位置的局部应力小于最大名义应力。因此绘制应力寿命曲线时应该对应力进行修正,修正后的旋转弯曲疲劳试验S—N,因此阶梯

[14]603

　第31卷第6期胡燕慧等:金属材料超高周疲劳研究进展

[15]1045[16]

981　

S—N曲线并非材料超高周疲劳的固有特征。布、载荷类型、夹杂物大小和分布以及材料组织状态等,这些因素共同构成某种控制因子决定萌生位

[23]置。金属材料超高周疲劳断裂起源于内部时,裂纹源主要包括夹杂、疏松(主要在铸造金属中)和粗大组织

[24]1593[25]

大部分高强度钢S—N曲线在超高周仍然为持续下降

趋势,如图1中曲线3的形状。也有一些金属材料如2024高强度铝合金拉—拉疲劳试验得到的S—N曲线结果在10左右斜率发生变化出现拐点,这可能是由裂纹萌生位置由表面夹杂物萌生转化为表面驻留滑移带萌生引起的

[17]1103

。当裂纹由内部萌生时,表面硬度与外部环

[14]606

境等对试样的疲劳性能影响较小。

。

Murakami假设夹杂物等缺陷可以等效为小裂纹,由裂纹萌生位置缺陷来定量研究金属材料疲劳性能,得到如下的疲劳极限公式

[26]

1 6

将文献中收集到的各种金属材料在10～10之间疲劳强度下降的情况进行总结,得到图

[15]1044[17]1106[18]1466[19][20]16112。由图中可以看出在一定范围内材料抗拉强度越高,超高周范围疲劳强度下降越多。而且同种材料组织状态不同疲劳强度下降情况也不同,如图2中A、B同为Ti-6Al-4V,B所含的夹杂较少,更为洁净,二者疲劳强度下降情况差别很大

。

σ1-R)(0.1HV+120w=C(

其中　σ——疲劳极限,MPaw—

(1)

C———裂纹萌生位置参数,表面裂纹取1.43,

内部裂纹取1.56R———应力比

HV———维氏硬度,×10MPa

S———缺陷的投影面积平方根,或夹杂物与

ODA(opticallydarkarea,光学暗区)面积之和的平方根,μm

　　α=0.226+HV×10

在用这个公式估算疲劳极限时,可用统计极值方法和广义Pareto方法估算试样中最大夹杂物尺寸

[27-28]

-4

图2　金属材料10～10疲劳强度下降情况与

抗拉强度的关系

Fig.2　Relationshipbetweenendurancelimitdecreasefrom

106to109cyclesandultimatetensilestrength

。Murakami最初建立这一公式的目的是用于研

究夹杂物对疲劳性能影响,目前此公式被广泛用于研究金属材料超高周疲劳性能。但公式存在几个不完善的地方,既然在超高周疲劳范围内疲劳极限的概念已

失去意义,计算得到的疲劳强度应该有对应的疲劳寿命,但此公式没有指出;试验表明公式预测的结果与材料10～10周次的疲劳强度比较接近;公式中没有包含缺陷形状因子,而裂纹源处缺陷形状的差异会对疲劳强度产生很大影响

[24]1594[29-30]

从已有的试验结果来看,大部分金属材料在超高周范围没有安全疲劳极限,不能用10对应的疲劳强度进行无限寿命设计,材料设计寿命下的疲劳强度必须通过试验确定。特别是一些高强度金属材料常用在

疲劳设计寿命很高的关键零部件上,而这些材料在超高周范围疲劳强度下降很大,使用安全疲劳设计准则将带来严重安全隐患。3.2　超高周疲劳裂纹萌生

在关于超高周疲劳研究的试验中,一般有单个裂纹源,裂纹既有萌生于试样边缘的,也有萌生于试样内部的情况。日本研究者在早期的研究中得到的超高周疲劳试验结果常常为,随着疲劳寿命的增加疲劳断裂从表面萌生转化为内部萌生

[14]606

[21]1558

。

当裂纹起源于金属材料内部夹杂物时,断口源区

[21]1558

常常呈现“鱼眼”形貌,如图3所示。夹杂物周围断口在光学显微镜下为黑色,在扫描电镜下表面粗糙,Murakami将其命名为“光学暗区”(ODA)。通过对夹杂物中氢含量不同的试样进行超高周疲劳试验,证实ODA是夹杂物吸收的氢与交变应力交互作用产生的,一般出现在疲劳寿命高于10周次的超高周疲劳断口

[11]166[12]744

中,目前对ODA的理解主要有以下几点:

(1)ODA的面积大小与应力、夹杂物尺寸、裂纹扩展抗力及裂纹扩展门槛值有关。

(2)当夹杂物捕获的氢的含量没有达到饱和时,材料中氢的含量越高,ODA面积越大。

(3)在有ODA的情况下,公式(1)中应为夹杂5

。Bathias曾经将

疲劳裂纹萌生位置从表面向内部的转移解释为,在超

高周疲劳断裂情况下应力非常小,在表面的平面应力状态下局部循环塑性变形很小,因此裂纹常在有应力集中的内部缺陷处萌生

[22]563

。但事实上,超高周疲劳断

裂时内部裂纹萌生并不是必然发生的,裂纹从内部萌

　982机　　械　　强　　度2009年　

(4)在ODA内夹杂物中的氢促进裂纹萌生和小裂纹扩展,一旦ODA面积对应的由公式(1)得到的σw

(5)在ODA面积与夹杂物面积比一定时,夹杂物中氢含量越低,疲劳寿命越长。

但是对ODA形成过程中氢的具体作用机理,以及可以影响裂纹萌生和扩展的氢的含量等问题还没有进行深入的研究。周承恩等计算夹杂物和ODA面积对应的应力强度因子,并与材料的门槛值对比,认为ODA边界可以作为超高周疲劳裂纹萌生和扩展的分界线,但他的研究没有考虑小裂纹扩展的问题

[31]

ASTM(AmericanSocietyforTestingandMaterials)推荐的门槛区裂纹扩展速率为10m cycle,用超声疲劳试验方法观察到的真空中超高周疲劳表面裂纹门槛区扩展速率降低为10

-11

-10

m cycle～10

-10

-13

m cycle,对应的裂

[32]1458

纹扩展门槛值比10m cycle的降低了25%

-11

。真

空中疲劳早期平均裂纹扩展速率为10m cycle～

-12

10m cycle,每周次扩展距离远远小于晶格尺度,需要用原子级或位错模型来研究,这可以间接说明超高周疲劳裂纹内部萌生时的裂纹扩展情况。Miller认为应该用微观断裂力学(microstructuralfracture

mechanics,MFM)研究超长寿命疲劳(10以上)的裂纹萌生和扩展

[33]546

。考虑到小

裂纹与长裂纹扩展速率有很大差别,而ODA边界到鱼眼边界断口形貌没有变化,因此小裂纹扩展是在ODA

之内还是在ODA之外,还需要进一步试验验证

。

金属材料疲劳裂纹表面萌生时,空气中的水分子可以扩散到裂纹尖端,与断口发生化学反应,形成氢氧化物和水合氧化物,释放出氢。氢被表面吸收导致裂纹尖端氢脆,促进裂纹扩展

[34]

。由于水分子的扩散和化

学反应都是与时间相关的,因此存在临界扩展速率,在此速率之下,空气中的水分有足够时间影响裂纹扩展。临界扩展速率的大小与材料种类有关,铝合金如2024-T3、7075-T6和铸造铝合金AiSi9Cu3等对应的值为2×10m cycle,而对于更易在空气中发生腐蚀疲劳的镁合金如AM60hp、AZ91hp和AS21hp等,临界速率

-8[32]1461[35]802

为3×10m cycle。超高周疲劳裂纹从表面萌生时,当裂纹扩展速率小于临界速率时,空气能对裂纹扩展产生如下影响,空气中裂纹扩展门槛值降低为真空中的60%～70%;裂纹尖端应力强度因子相同时,空气中裂纹扩展速率较高;特别是大气环境可能改变裂纹扩展的微观模式,例如,形变时主要为单一滑移模式(planarslip)的金属材料如铝合金2024-T3门槛区断口在真空中呈现第Ⅰ阶段裂纹扩展形貌,空气中则

[36]37

呈现第Ⅱ阶段裂纹扩展特征。另一方面,当超高周疲劳裂纹从内部萌生时,由于缺乏有效的观察手段,对裂纹扩展还缺乏系统的认识。

-9

图3　超高周疲劳断口“鱼眼”形貌及示意图[21]1558Fig.3　Fractoghaphyandillustrationoffish-eyeofveryhigh

cyclefatigue[21]1558

由于夹杂物中捕获的氢促进裂纹萌生和小裂纹扩展,而且夹杂物和ODA面积影响疲劳强度,因此控制金属材料中夹杂物尺寸和降低材料中氢含量,特别是前者是改善材料超高周疲劳性能的有效手段

[11]166

4　超高周疲劳寿命预测模型及分布特征

对超高周疲劳寿命的估算主要是针对裂纹内部萌生的情况展开的。超高周疲劳裂纹在“鱼眼”之外迅速扩展,因此疲劳断裂过程主要是“鱼眼”之内的裂纹萌

生和扩展过程。Paris利用裂纹扩展模型=

dNbΔKeffE建立“鱼眼”之内的裂纹扩展寿命公式

[37]

。

超高周疲劳裂纹从表面萌生时,大气环境与裂纹萌生有交互作用,例如铝合金2024-T351断口源区发现有大量氧化物,但具体作用机理还未见详细报道

[5]1452

。

。由于小裂纹扩展速率与长裂纹扩展速率不同,

3.3　超高周疲劳裂纹扩展

与低周或高周疲劳断裂相比,超高周疲劳断裂应力水平非常低,因此早期裂纹扩展速率低,而且是不连续,因此又将门槛值以上的裂纹扩展过程分成小裂纹扩展和长裂纹扩展过程,二者的分界线为裂纹尖端应力强度因子为小裂纹门槛值x倍的位置,x值大小与应力,0时,0,取1。

　第31卷第6期胡燕慧等:金属材料超高周疲劳研究进展983　

　Nfish-eye=Nint+Na0※ai+Nai※a=

a0α 2-1aint2(Δσ)2(2

01-ai2(Δσ)

(α 2-1)

高频时位错运动时间有限,每周次的塑性变形量降低,

因此要达到与低频情况相同的疲劳损伤,需要更长时

-1+

间或更强的应力,因此超声疲劳试验方法有可能使疲劳强度提高,另外超声疲劳试验时应变率提高可能使试样发热,从而影响疲劳试验结果。

各国研究者对超声疲劳试验的频率效应已经进行大量研究,研究方法主要是将超声疲劳试验结果与低频疲劳试验结果进行对比。结果表明,超声频率对金属材料超高周疲劳的断裂机理和断口形貌没有影响,不

[32]1461[36]35

同频率时金属材料的门槛值也相差无几。Kawagoish等还通过表面复型技术,观察超声疲劳试样表面裂纹萌生和小裂纹扩展,发现超声疲劳裂纹仍为驻留滑移带萌生,得到超声频率对疲劳断裂机制没有

[40]1229

影响的直接证据。但是某些情况下,超声频率试验方法可能降低裂纹扩展速率,使疲劳寿命有所增加,

[22]561[36]37

同时提高疲劳强度。针对这种情况,在将超声疲劳试验结果应用于发生低频振动的工程构件时,可

[41]

以在超声疲劳试验结果上加一个修正因子。频率效应本质上是应变率的改变引起的,与时间相关的环境因素交互作用,并且在高应力水平时的作

[18]1469[36]37

用比低应力时明显。例如面心立方金属的塑性变形对应变率敏感性不强,因此在应力强度因子较低的早期扩展时期,频率的改变对面心立方金属疲劳行为几乎没有影响,但是在裂纹扩展率高、裂纹尖端塑性变形大时情况则可能发生改变。空气中水分与裂纹尖端断口可以产生化学反应,而水分子的扩散和化学反应都是与裂纹张开时间相关的,因此在高频下化学反应可能来不及发生,从而使高频下的裂纹扩展率降低。Mayer的研究表明,真空中频率对裂纹扩展没有影响,空气中是否有频率效应,则取决于裂纹尖端化学反应能否发生,在裂纹尖端水分子足够多,裂纹尖端张开时间足够长,化学反应可以发生的情况下,频率的改变不会影响材料的疲劳行为。因此当空气湿度足够大时,超声疲劳试验得到的材料疲劳寿命与常规疲劳试验得到的结果基本相同,超声疲劳试验结果可以用于一般

[35]802

工程构件的疲劳设计。对不同的材料,具体哪种环境下得到的超声疲劳试验结果可信,哪些结果需要修正,目前还没有系统的理论,需要针对不同的问题分别进行研究。

对超声疲劳试样发热问题的研究表明,试样温度升高数量很小,例如频率为20kHz、应力比为-1时,疲

劳寿命10周次的试样表面温度升高40℃～60℃,不

[20]1611

足以影响材料疲劳性能。另外,采用压缩空气冷

[5]1450

却及断续试验等方法可以很好地控制试样发热。

+x2(Δσ)

-ai

(2)

其中,Nint为门槛值之下的裂纹扩展寿命,Na0→ai为从缺陷a0扩展到小裂纹与长裂纹交界点ai的寿命,Nai→a为从交界点ai扩展到鱼眼边界a的寿命。Paris将公式预测结果与低碳钢SAE8620的超高周疲劳试验结果比较,结果表明公式得到的裂纹扩展寿命远小于另一部分寿命即裂纹萌生寿命,差距甚至为几个数量级。因此裂纹萌生寿命为超高周疲劳寿命的主要部分,这与10周次以下的低周疲劳的情况不同。

王清远利用Tanaka与Mura用位错理论建立的裂纹萌生于夹杂物时的裂纹萌生寿命模型和=

dNC(ΔK)裂纹扩展模型预测金属材料超高周疲劳寿命

[38]

,其中裂纹萌生和扩展的分界线为裂纹萌生位置

夹杂物尺寸。王清远用此模型预测几种高强度钢的超高周疲劳寿命,结果显示模型预测结果与试验结果基本一致。同时结果表明公式获得的裂纹萌生寿命占整个超高周疲劳寿命的99%以上,这与Paris的预测结果是一致的。

俄罗斯学者曾经对服役寿命达到10左右、最终发生疲劳断裂的直升飞机减速器齿轮进行研究

9[39]

。研

究结果显示疲劳寿命为5.76×10到4.66×10周次的齿轮裂纹扩展寿命占整个疲劳寿命的0.1%到

0.5%～1%。另一种观点认为裂纹萌生和小裂纹扩展二者共同占超高周疲劳寿命的主要部分。Kawagoish等观测超高周疲劳时表面裂纹萌生和扩展,发现超高周疲劳过程主要为裂纹萌生和100μm之内的小裂纹扩展,约占总寿命的80%以上周疲劳寿命的绝大部分

[33]547

[40]1229

。Miller也认为,裂纹

萌生、小裂纹扩展和裂纹越过微观障碍的过程占超高

。因此,对超高周疲劳寿命

分布情况的研究还没有形成公认的理论,特别是如何划分裂纹萌生和裂纹扩展没有形成统一的理论,而且裂纹内部萌生增加了研究的难度。

5　超声疲劳试验的频率效应

由于超声疲劳试验机的试验振动频率远高于传统疲劳试验机,而且高于一般可能发生疲劳失效的工程构件所承受交变应力的频率,因此超声频率是否会对,6　结束语

　984机　　械　　强　　度2009年　

金属构件设计寿命越来越高,因此金属材料超高周范围的疲劳行为已经成为一个值得关注的课题。超声疲劳试验机的出现,也使得这一领域的深入研究成为可能。虽然在过去的几十年已经开展了一些研究,但是所得到的结果和建立的理论还远不能满足疲劳设计的需要。

在目前研究结果的基础上,下面几个问题的研究值得关注:

1)既然研究表明裂纹萌生寿命占超高周疲劳寿命的主要部分,那么进一步研究裂纹萌生机理,特别是当裂纹在内部萌生时的萌生机理以及ODA内氢的作用机理,有助于超高周疲劳寿命的预测和疲劳失效的预防。为了定量估算超高周疲劳寿命,还必须研究划分裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段的方法,划分时要考虑到小裂纹扩展阶段。由于裂纹内部萌生和扩展难以观测,可以尝试借助于断口定量方法对超高周疲劳裂纹萌生阶段进行研究。

2)由于裂纹从内部萌生和表面萌生会使金属材料的疲劳性能有很大不同,只有对金属材料超高周范围的裂纹萌生位置有清楚的认识,才能更准确地对疲劳性能进行预测和控制。因此需要进一步研究疲劳裂纹萌生在超高周范围由表面转入内部的机制,定量研究萌生位置转移控制因子的计算方法。

3)定量研究超声频率对超高周疲劳行为的影响规律,以便将超声疲劳试验结果应用于应力低频交变的工程构件疲劳设计。由于频率效应本质上是由应变率变化引起的,因此通过研究不同频率时的塑性变形来研究频率对疲劳行为的影响,将是一个有效途径。

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