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随着汽车,航空,铁路,桥梁等工业的快速发展,对机械用高强钢的疲劳性能提出了更高的要求；另外,高强钢在超高周循环周次表现出与传统疲劳明显不同的特征,因此,高强钢的超高周疲劳行为成为当前疲劳研究新的热点。另一方面,随着强度的提高高强钢对氢脆越来越敏感,氢损伤的形式主要有氢脆、氢致断裂、氢提高应力腐蚀断裂和腐蚀疲劳等。当前,许多关键部件不但要求安全服役超过108周次还要求在腐蚀性条件(含氢介质,潮湿空气)下工作,而氢对高强钢超高周疲劳性能的影响这一方面的工作至今没有广泛开展。因此,氢对高强钢超高周疲劳性能的影响已经成为急需解决的重要课题。
本文以7种高强钢(3种GCr15轴承钢和4种弹簧钢)为实验材料,采用了3种充氢工艺进行充氢,然后分别利用Instron8801实验机和岛津USF-2000超高频疲劳实验机(20 KHz)系统研究了氢对拉伸性能和超高周疲劳性能的影响。根据氢对裂纹尖端应力场的影响修正了Murakami的疲劳强度表达式,修正后的表达式对充氢前后的高强钢样品均适用,并利用氢的影响因子的概念,根据实验结果我们分别拟合了可扩散氢与非扩散氢的疲劳强度影响因子表达式。通过测量GBF的尺寸(√AGBF)和计算GBF边缘应力强度因子范围(△KGBF),分析了可扩散氢与非扩散氢对GBF大小的影响,并讨论了充氢对△KGBF的影响。
通过对比3种GCr15轴承钢(G:真空冶炼；GVM:真空冶炼；GER:电渣重熔)的超高周疲劳性能,以及观察疲劳断口并测量裂纹源处夹杂物的尺寸,发现与真空冶炼相比,电渣重熔能更好地控制夹杂物的尺寸与分散性,因而具有相对较好的疲劳性能。
采用3种充氢方法(电解充氢,浸泡充氢,高压气相热充氢)研究了氢对高强钢的拉伸性能和超高周疲劳性能的影响。从拉伸曲线来看,充氢虽然降低了钢的强度和延伸率,但是并没有改变弹性模量；观察拉伸断口发现,充氢前的断口上有大量的韧窝,为韧性断裂:充氢后断口特征主要为沿晶和解理断裂,为脆性断裂。用升降法计算了高强钢充氢前后的109周次的疲劳强度,发现不论哪种充氢方法均显著降低了疲劳强度,当总氢浓度相同时,高压气相热充氢比电解充氢能更显著地降低疲劳强度,具有更高的氢脆敏感性。电解充氢或浸泡充氢后GBF区显微形貌与未充氢样品基本相同,充氢没有改变GBF显微特征；高压气相热充氢后,发现GBF显微特征与未充氢样品有显著不同,充氢改变了GBF显微特征。
将马氏体钢中的氢近似分为两类:可扩散氢与非扩散氢。考虑了氢对裂纹尖端应力场的影响后,对Murakani的疲劳强度表达式进行了修正,σ*w=1C(HV+120)/λ(√Ainc)1/6,1/λ定义为氢的影响因子,为氢含量的函数。利用现有的实验结果拟合了可扩散氢与非扩散氢的影响因子表达式,分别为:f(CR)=0.6+0.4exp(-C2R/4),f(C1)=1/(1+0.09G21)。用修正的疲劳强度表达式计算得到的疲劳强度值与实验值能较好地吻合。充氢前后GBF边缘应力强度因子范围(△KGBF)均正比于GBF尺寸(√AGBF)的1/3次方,并且随着氢浓度的增加△KGBF逐渐降低。