超声疲劳具有频率高、振幅小、循环周次高以及历时短的特点,是航空、航天器以及其它机械构件失效的诱因之一。但已有的研究主要集中于10~7循环周次以下,且不够深入与系统,更鲜见有超高周疲劳与材料微观组织之间关系的研究。而在高技术领域服役的构件的疲劳失效却时常发生在10~8循环周次以上。因此,研究10~8循环周次以上的超高周疲劳行为具有重要的理论与实际意义。本文应用超声疲劳试验技术(20kHz),以特定的超声焊接工具头40CrNiMoA钢为研究对象,研究了微观结构与40CrNiMoA钢超声疲劳行为之间的关系,获得了10~8循环周次以上的应力-寿命(S—N)曲线。由于超声焊接工具头的实际工作频率和振动状态与本文超声疲劳试验相同,因此试验结果真实反映了超声焊接工具头的疲劳特性。研究结果表明:表面处理可以显著提高工件的超声疲劳寿命,尤其是渗氮处理;高的超声疲劳寿命对应着强韧配合的微观组织,而与晶粒尺寸关系不大,尤其是在低应力状态下。此外,本文还发现40CrNiMoA钢在超过10~7循环周次后仍然发生疲劳断裂,不存在疲劳极限,且S—N曲线具有两种不同的形状特征,即“持续下降型”和“阶梯下降型”,其原因在于微观组织的不同。试样断口显微分析显示:超声疲劳载荷下,裂纹均在试样表面或次表面缺陷处萌生,然后向里扩展,断口具有解理及准解理断裂特征。且最后断裂区所占比例较小。机理分析认为,当试样内部没有明显夹杂物、孔穴等缺陷时,超高周循环条件下疲劳裂纹会从表面萌生。由于多晶体各晶粒变形的不均匀性,少数承受应力集中的晶粒会产生塑性应变,这样每一循环造成的不可逆应变,经过足够长的循环周次后会萌生疲劳裂纹而导致工件疲劳失效。本文应用ANSYS软件对表面萌生裂纹的超声疲劳试样进行了建模和模态分析,提出了超声振动载荷下40CrNiMoA钢应力强度因子确定及计算的方法。计算结果表明,半椭圆裂纹前沿的应力强度因子随着裂纹深度的增大而增大。能量法与位移法确定的应力强度因子变化趋势相同,误差在5%以内。