离心压缩机以效率高、流量大、压缩比高的特性广泛应用于工程领域,在实际工程应用中低应力幅、振动以及高速离心载荷使得疲劳破坏成为离心压缩机叶轮的主要失效形式。越来越多的疲劳实验表明,随着载荷的降低和寿命的延长,叶轮的失效裂纹源从表面迁移到内部缺陷,展现出超高周疲劳失效行为。马氏体不锈钢FV520B-I作为一种高强钢材料,在离心压缩机叶轮叶片加工制造中广泛应用,研究其在超高周疲劳领域(>10~7周次)内的失效行为对压缩机的设计与制造、寿命强度预测和可靠性分析具有十分重要的意义,也对钢铁冶炼中缺陷的控制具有一点参考意义。本文首先通过仿真软件计算离心压缩机叶轮的装配应力、气动载荷下的应力以及在失速和喘振的情况下的应力,结果显示叶轮前端与盖板和底盘的连接处的应力水平最高,此处应力集中易萌生裂纹而发生疲劳行为;通过叶片应力及裂纹尖端应力强度因子计算得知,叶片内易产生I型裂纹而发生疲劳破坏。然后以超声疲劳振动理论为基础设计计算超声疲劳试样尺寸,在超声疲劳试验机上进行FV520B-I钢的超高周疲劳实验,基于超声疲劳实验数据分析裂纹源处夹杂物、GBF等特征区域对超高周疲劳寿命和强度的影响;考虑FV520B-I钢两种失效模式建立寿命概率累积模型,基于实验数据拟合得到FV520B-I钢的P-S-N曲线,基于两失效机制的P-S-N曲线进行10~7和10~9周次的疲劳强度预测,结果与实验数据一致。接着基于统计极值法和广义帕累托分布法预测夹杂物分布及目标体积内最大夹杂物尺寸值,利用预测的最大夹杂物尺寸进行强度预测;采用极大似然函数对数法计算最大夹杂物尺寸置信度为95%的区间,同时基于Murakami公式和GBF裂纹扩展机理得到的强度模型计算疲劳强度,结果显示模型偏于保守。最后在杨振国和柳洋波工作基础上,考虑氢元素对超高周疲劳强度的影响修正了内部裂纹扩展的应力强度因子,将其引入Paris方程中来描述FV520B-I钢内部裂纹扩展过程,利用实验数据拟合Pairs方程中的参数,积分得到FV520B-I钢的超高周疲劳寿命公式;基于夹杂物尺寸分布函数和FV520B-I钢超高周疲劳寿命公式可以得到关于应力和寿命概率密度函数,实现在给定夹杂物尺寸分布下的FV520B-I钢的可靠度计算。