摘要
当前，高可靠性和长寿命已成为发展重大工程装备的紧迫需求。传统疲劳研究认为，当循环周次超过107时，材料会达到理论上的“疲劳极限”。然而，近几十年的疲劳研究发现，即使循环周次超过 109，材料仍可能发生疲劳断裂。这一发现突破了传统疲劳研究的范畴，开创了超高周疲劳这一全新领域。工程实践表明，类似汽车车轴、车轮、涡轮机转子和叶片等受力部件在服役周期内的循环加载次数远远超过 107，属于典型的超高周疲劳失效。因此，无论从科学研究的角度还是为了保证重大工程装备的稳定可靠运行，迫切需要开展超高周疲劳试验技术和破坏机理的研究。同时，TC4钛合金由于其优良的力学性能（高比强度、高腐蚀性和耐高温等），被广泛应用于制造航空发动机叶片等薄壁部件。这类部件在经过不同的加工制造工艺后，其横截面内的力学性能分布不均匀，呈现由表及里的性能变化。当这些部件承受循环载荷时，容易发生激振弯曲变形。因此，我们需要深入研究这种超高周疲劳现象，以确保这些部件在使用过程中的可靠性。 本文以航空压气机叶片的弯曲服役环境为背景，依据超声加载原理，研制了更贴合实际的弯曲疲劳加载系统，基于超声加载，设计了新型的加载模型。同时开展了不同加载方式、高能喷丸强化（HESP）后TC4钛合金的超声弯曲疲劳试验，研究了以上因素对于 TC4 钛合金高周和超高周弯曲疲劳性能和失效机制的影响。主要的研究内容与结论如下： 开展了TC4钛合金的超声疲劳试验，包括弯曲加载和轴向拉压加载两种方式，以揭示加载方式对高周和超高周疲劳性能的影响。通过S-N曲线的分析，我们发现在弯曲加载条件下，该材料不存在疲劳极限。同时，我们观察到在108周次时，弯曲加载和轴向加载的S-N曲线存在一个重要的交汇点。随着循环周次的增加，应力幅值逐渐减小，而应力梯度对疲劳性能的影响逐渐减小。这表明，微观结构对疲劳性能的影响变得更为重要，导致裂纹萌生源从试样表面转移到内部。此外，在裂纹萌生区域发现了大量的解理小刻面聚集。由此可以推断，失效形式为初生α相的解理失效。 开展了高能喷丸（HESP）处理前后的TC4钛合金弯曲疲劳实验，表征了HESP处理前后微观结构的变化以及硬度的分布情况。通过S-N曲线可以发现，HESP处理对于高周弯曲疲劳性能影响微弱，但是显著提高了该材料的超高周弯曲疲劳性能，对疲劳性能的强化效果最大达到了30%。同时，揭示了疲劳性能的强化机制，即HESP处理引入的残余压应力与塑性变形，会对疲劳裂纹的萌生与扩展过程产生抑制，进而增强其疲劳性能。
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