为了提高速度,减轻自重,使用铝合金型材代替钢铁等传统材料是高速列车发展的趋势。Al6061铝合金因其具有加工性能极佳、优良的焊接特点及电镀性、耐腐蚀性高、成形性好、氧化效果极佳等优良特点,是一种常见的运用于高铁的铝合金材料。在高速列车运行过程中,Al6061铝合金结构受到由振动引起的低应力高频率的循环载荷,其疲劳循环周次往往超过了10~7,属于超高周疲劳问题。已有研究表明有的金属材料在超过10~7周次的超高周疲劳范围内依然会发生疲劳断裂;同时高速列车Al6061铝合金结构不可避免的存在应力集中现象,而应力集中会极大地削减构件的疲劳寿命。因此作为常用于列车的Al6061铝合金型材,研究应力集中对Al6061铝合金超高周疲劳性能的影响具有十分重要的意义。本文采用超声疲劳试验方法对Al6061铝合金光滑试样和四组不同应力集中系数的缺口试样的超高周疲劳性能进行了研究,疲劳试验采用对称疲劳轴向拉压试验,试验载荷为R=-1,加载频率为20k Hz,环境温度为室温。分别测得光滑试样和四组不同应力集中系数的缺口试样在10~5～1010周次范围内的S-N曲线,分析了不同应力集中系数对Al6061铝合金超高周疲劳性能的影响情况,结合扫描电镜微观分析,研究了缺口应力集中对Al6061铝合金超高周疲劳裂纹萌生与扩展机理的影响。超高周疲劳试验结果表明:在10~5～1010周次范围内,光滑试样和四组不同应力集中系数的缺口试样的S-N曲线都出现了极限平台型的特征,出现了传统疲劳理论定义的疲劳极限,光滑试样的S-N曲线在10~5～10~7周次范围内为连续下降的曲线,10~7周次后直到1010周次S-N曲线为一段水平平台;四组缺口试样的S-N曲线在10~5～8×10~7周次范围内为连续下降的曲线,8×10~7周次后直到1010周次S-N曲线为一段水平平台,达到平台后疲劳强度不再发生变化。平台对应的应力幅定义为光滑试样和四组缺口试样的疲劳强度极限,且缺口试样的疲劳强度极限随着应力集中系数的增加而降低。因此在考虑应力集中对Al6061铝合金材料疲劳性能影响时,不能将10~7周次对应的条件疲劳极限作为该材料在超高周范围内的疲劳强度依据。Al6061铝合金光滑试样和四组缺口试样超高周疲劳性能试验研究结果表明,当疲劳应力幅低于对应的试样的疲劳强度极限时,材料不再发生疲劳断裂。断口扫描电镜微观分析结果显示:光滑试样和四组缺口试样的裂纹均从试样表面或表面缺陷处萌生,裂纹源和第一扩展区表面平整光滑,扩展面与轴线垂直,为I型裂纹扩展形式,在第一扩展区出现了“滑移带”的形貌特征;在第二扩展区,宏观扩展面沿与轴线呈45°夹角,微观分析表明第二扩展区为I型裂纹扩展与II型裂纹扩展复合形式,并可观察到“韧窝”、“疲劳辉纹”和“二次裂纹”等形貌特征。缺口应力集中效应的影响研究表明:Al6061铝合金在10~5～10~8循环周次范围内对缺口应力集中敏感性逐渐升高,在超高周疲劳范围内最终趋于一个平台值。四组不同应力集中系数试样平台对应的疲劳缺口敏感系数都非常接近,取四组不同应力集中系数试样疲劳缺口敏感系数的平均值qm作为Al6061铝合金在超高周阶段的疲劳缺口敏感系数,其结果为qm=0.9。根据本文研究内容对实例构件的疲劳强度进行分析,得到管状开孔构件的应力集中系数为Kt=2.55,在本文研究范围内。进一步分析后发现在超高周阶段Al6061铝合金结构具有非常高的缺口敏感性,在实际结构强度分析时,需充分考虑缺口应力集中对疲劳强度的影响,用缺口最大应力幅结合光滑试样的疲劳试验结果对Al6061铝合金结构的疲劳强度进行分析时,与实际情况误差较小;在高周阶段Al6061铝合金结构具有较低的缺口敏感性,缺口应力集中对缺口根部材料的疲劳性能有影响,用缺口最大应力幅结合光滑试样的疲劳试验结果对Al6061铝合金结构的疲劳强度进行分析时,与实际情况误差较大,结构偏于过度安全。