现用的疲劳强度设计规范一般都建立在10~7循环周次以下的疲劳试验数据基础上,而高技术领域服役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。用常规疲劳试验方法完成超高周疲劳试验费时、费力、费钱,为此,本文采用载荷频率为20KHz的超声疲劳试验技术,以特定的超声焊接工具头40CrNiMoA钢为研究对象,研究不同微观组织的40CrNiMoA钢在10~5～10~9循环周次范围内的疲劳性能,测定疲劳S-N曲线,并结合扫描电镜和透射电镜对疲劳断口进行分析。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:不同微观组织的40CrNiMoA钢超声疲劳S-N曲线表现出两种有别于传统规范的10~7极限型,即“持续下降型”和“阶梯下降型”,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。因此,用10~7循环周次以下的疲劳试验结果作为服役寿命在10~7循环周次以上的结构件的疲劳强度设计判据是不安全的。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。表面处理可以显著提高工件的超声疲劳寿命,特别是渗氮处理。试样断口显微分析显示:超声疲劳载荷下,裂纹均从试样表面或次表面缺陷处萌生,然后向里扩展,最后断裂区所占比例较小,断口具有解理及准解理断裂特征。机理分析认为:当试样内部没有明显夹杂物、孔洞等缺陷时,超高周循环条件下疲劳裂纹会从表面萌生,且疲劳裂纹表面萌生是由于局部不可逆塑性应变累积的结果。应用三维有限元动态模态分析方法,对含有表面半椭圆裂纹的变截面圆形超声疲劳试样进行计算分析,结合超声共振载荷下疲劳裂纹扩展特征,从断裂力学基本理论出发,分别采用位移法和J积分法计算超声疲劳载荷下裂纹前沿的应力强度因子。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,J积分法确定的应力强度因子与位移法计算结果变化趋势相同,误差在5%以内。