齿轮作为核心传动零件,在汽车、机械、航空航天和高铁等行业中有着广泛的应用。齿轮钢通常要求具有高的疲劳性能以确保齿轮在服役过程中不发生失效。鉴于高铁齿轮在运行过程中承受超长周次（大于10⁷）循环载荷,开展高铁齿轮材料的超高周疲劳性能研究具有重要意义。18CrNiMo7-6渗碳齿轮钢是常用的高铁齿轮材料,其超高周疲劳性能未见报道。本文采用超声波疲劳加载方法,研究了18CrNiMo7-6渗碳齿轮钢的超高周疲劳性能及其破坏机理。针对渗碳齿轮渗碳层和心部组织和性能存在差别的特点,利用截面全渗透试样和伪渗碳试样,分别研究了18CrNiMo7-6齿轮钢渗碳层和心部在10⁹循环周次下的超高周疲劳性能,探讨了疲劳裂纹萌生和扩展机理,并预估了材料在10¹⁰下的疲劳性能,分析了材料显微结构、夹杂物水平等因素对18CrNiMo7-6渗碳齿轮钢超高周疲劳失效的影响。通过研究,得出如下主要结论:渗碳试样超高周疲劳性能结果表明,随着应力幅的降低,18CrNiMo7-6齿轮钢渗碳层的疲劳寿命增加,在10⁷循环周次后会发生超高周疲劳失效现象。18CrNiMo7-6齿轮钢渗碳层在10⁹循环周次下的超高周疲劳强度在600MPa左右,利用外推法得到其在10¹⁰循环周次下的疲劳失效应力幅范围在524MPa～570MPa,满足高铁齿轮515MPa应力下10¹⁰循环寿命的要求。18CrNiMo7-6齿轮钢渗碳试样超高周疲劳断口分析发现,疲劳裂纹通常在内部非金属夹杂物处萌生,并在夹杂物周围基体产生细颗粒层,在循环载荷作用下,细颗粒层与马氏体基体逐渐剥离并连接成片而形成GBF区。GBF区尺寸到达临界值后,疲劳裂纹遵循Paris公式扩展,继而形成“鱼眼”区,最终疲劳失效。试验钢疲劳裂纹GBF区应力强度因子的临界值为3～4MPa·m^1/2。当应力幅不变时,渗碳试样的超高周疲劳寿命随着夹杂物尺寸降低而增加,因此降低夹杂尺寸可改善渗碳层的超高周疲劳性能。伪渗碳试样疲劳结果表明,18CrNiMo7-6渗碳齿轮心部不会发生超高周疲劳失效,在10⁹循环周次下的疲劳强度与10⁷循环周次下一样,均在650MPa左右;而相当于渗碳层的伪渗碳试样会发生超高周疲劳失效,表现出典型的超高周疲劳失效特征。心部疲劳裂纹扩展速率较渗碳层更慢,裂纹扩展过程中晶界、马氏体亚结构等阻碍裂纹扩展,存在较多的裂纹偏折和分枝现象;渗碳层中大量的碳化物则促进裂纹的扩展,显微结构对裂纹阻碍较少。渗碳齿轮心部疲劳裂纹扩展明显低于渗碳层,因此渗碳方法在一定程度上有利于提高疲劳寿命。