楊素淞 白春玉 楊強(qiáng) 胡偉平 詹志新

摘要：航空、航海、槍械及石油開采等領(lǐng)域的一些金屬結(jié)構(gòu)件，常常會(huì)承受多次沖擊載荷，形成沖擊疲勞失效。材料與結(jié)構(gòu)在沖擊疲勞載荷下的失效特性往往不同于常規(guī)疲勞失效，不能沿用常規(guī)疲勞試驗(yàn)測(cè)試與壽命分析方法進(jìn)行沖擊疲勞性能測(cè)試與壽命預(yù)估。為了充分認(rèn)識(shí)和了解目前關(guān)于金屬材料的沖擊疲勞特性，以及沖擊疲勞試驗(yàn)測(cè)試方法和理論分析方法，本文綜述了國內(nèi)外關(guān)于金屬材料沖擊疲勞的研究進(jìn)展，概述了沖擊疲勞試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備及方法、影響材料沖擊疲勞性能的主要因素，以及金屬材料沖擊疲勞壽命的預(yù)估方法。

關(guān)鍵詞：沖擊疲勞；金屬材料；疲勞壽命；試驗(yàn)測(cè)試；壽命預(yù)估

中圖分類號(hào)：V215.5+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.001

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（20184151017）

工程結(jié)構(gòu)中，有很多部件會(huì)受到重復(fù)沖擊載荷的作用，如艦載機(jī)上的攔阻鉤[1-4]、機(jī)載航炮中的復(fù)進(jìn)簧[5]、石油開采鉆頭鉆桿[6]、低壓電器中萬能式斷路器的雙刀軸承等[7-10]，這些結(jié)構(gòu)在重復(fù)沖擊載荷作用下，導(dǎo)致最終的失效破壞。材料與結(jié)構(gòu)在這種情況的失效稱為沖擊疲勞失效[11]。與常規(guī)的疲勞類似，沖擊疲勞問題可以分為低周沖擊疲勞與高周沖擊疲勞。但在工程實(shí)踐中，結(jié)構(gòu)承受的沖擊載荷通常很大，因此多為低周沖擊疲勞問題，之前的幾個(gè)典型例子都屬該類沖擊疲勞。一般沖擊疲勞載荷按其特點(diǎn)可分為兩類：有規(guī)律的沖擊疲勞載荷和隨機(jī)沖擊疲勞載荷，并且在工程實(shí)際中，沖擊疲勞載荷往往會(huì)與常規(guī)疲勞載荷疊加出現(xiàn)。

材料的沖擊疲勞性能與常規(guī)疲勞性能存在明顯差異。在常規(guī)疲勞載荷作用下，材料的應(yīng)變率效應(yīng)可以忽略，材料內(nèi)部的應(yīng)力循環(huán)特征與外載荷循環(huán)特征一致。而在沖擊載荷作用下，材料的應(yīng)變率效應(yīng)不可忽略，并且材料會(huì)存在顯著的沖擊動(dòng)力響應(yīng)，使得材料內(nèi)部的應(yīng)力循環(huán)特征與外載荷循環(huán)特征存在明顯差別[12]。材料在沖擊疲勞載荷和非沖擊疲勞載荷的條件下，測(cè)試得到的疲勞失效特性通常是不同的。對(duì)金屬材料的研究表明，除了少數(shù)情況外，沖擊疲勞強(qiáng)度一般低于非沖擊疲勞強(qiáng)度[13-14]，并且在某些情況下，并不存在明確的沖擊疲勞極限。另外，在沖擊疲勞中裂紋擴(kuò)展速率通常高于非沖擊疲勞的情況[15-16]。沖擊疲勞載荷以及材料沖擊疲勞失效規(guī)律的不同特性使得沖擊疲勞問題相比于常規(guī)疲勞問題更加復(fù)雜。例如，在進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，需要對(duì)沖擊過程進(jìn)行控制，以便進(jìn)行材料在不同沖擊條件下的重復(fù)沖擊試驗(yàn)。在進(jìn)行壽命預(yù)估時(shí)，需要考慮構(gòu)件的沖擊響應(yīng)，以及疲勞損傷與沖擊響應(yīng)之間的相互作用。正是由于沖擊疲勞試驗(yàn)測(cè)試方法和材料沖擊疲勞性能描述等問題的復(fù)雜性，導(dǎo)致目前還沒有系統(tǒng)的理論、標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，以及豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)受重復(fù)沖擊構(gòu)件的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文對(duì)目前金屬材料沖擊疲勞的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，包括研究者們提出的代表性沖擊疲勞試驗(yàn)方法、材料沖擊疲勞性能描述方法、沖擊疲勞壽命分析方法，以及一些典型材料的沖擊失效特性等。通過對(duì)現(xiàn)有研究成果的梳理，更加明晰在沖擊疲勞問題研究中存在的主要難點(diǎn)問題和后續(xù)研究方向，以期為工程結(jié)構(gòu)沖擊疲勞設(shè)計(jì)和評(píng)估的相關(guān)研究工作提供參考。

1沖擊疲勞試驗(yàn)方法

工程結(jié)構(gòu)中的不同零部件往往承受不同類型的沖擊載荷。一直以來，人們通過標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)機(jī)獲得材料的沖擊韌性，用于判斷材料抵抗沖擊破壞能力的一個(gè)重要參數(shù)。然而，沖擊韌性測(cè)試時(shí)通過施加一次性沖擊載荷并使試樣破壞，在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中幾乎沒有一個(gè)機(jī)械零部件僅在一次沖擊載荷下發(fā)生斷裂失效。在大多數(shù)情況下，結(jié)構(gòu)件是在反復(fù)沖擊載荷的作用下失效或破壞的。因此，為了能夠更為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)材料在反復(fù)沖擊載荷下的力學(xué)性能，必須進(jìn)行相應(yīng)的沖擊疲勞試驗(yàn)。

由于沖擊疲勞工況的多樣性及沖擊疲勞問題的復(fù)雜性，研究者們采用的沖擊疲勞試驗(yàn)方法多種多樣，試驗(yàn)設(shè)備也不盡相同，基本沒有可依據(jù)的統(tǒng)一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)查閱到的關(guān)于金屬?zèng)_擊疲勞的文獻(xiàn)資料，按照沖擊載荷的施加方式，沖擊疲勞試驗(yàn)設(shè)備可以分為四類：擺錘式[17]、落錘式[18]、彈簧沖錘式[19-20]以及Hopkinson桿式[14，21]。

擺錘式及落錘式由于僅通過重力加速來產(chǎn)生沖擊力，因而施加沖擊載荷的頻率較低，頻率通常小于1Hz，因此一般僅適用于疲勞壽命較低的低周沖擊疲勞情況。另外，采用擺錘式及落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)在施加載荷的過程中需要在沖錘撞擊試件反彈后再次落下前將沖錘拉升，防止沖錘的二次沖擊，影響試驗(yàn)效果。圖1為V.M.Radhakrishnan等[17]設(shè)計(jì)的一個(gè)沖擊疲勞試驗(yàn)機(jī)。它通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)有著兩個(gè)相距180°銷釘?shù)膱A盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使擺錘反復(fù)擺動(dòng)撞擊試件，從而產(chǎn)生反復(fù)沖擊載荷，如圖1（a）所示。擺錘不直接撞擊到試件上，而是撞擊到與試件裝配在一起的軛上，從而將撞擊力傳遞到試件上，形成拉升沖擊載荷，如圖1（b）所示。通過改變擺錘的重量（質(zhì)量），可以改變每次撞擊的能量。圖2為Sun等[18]針對(duì)高強(qiáng)度鋼AerMet100在重復(fù)高應(yīng)變率沖擊載荷下的超低周疲勞行為，設(shè)計(jì)了一個(gè)三點(diǎn)彎曲沖擊疲勞試驗(yàn)，通過不斷地將落錘提升到一定高度后釋放，從而形成反復(fù)的三點(diǎn)彎沖擊疲勞載荷。亦可以通過改變落錘的質(zhì)量及高度來調(diào)整每次的沖擊能量。

彈簧沖錘式試驗(yàn)設(shè)備由于借助了彈簧的彈力，因此能產(chǎn)生很大的加速度，可以在短時(shí)間內(nèi)將沖頭加速到較大的速度。這類試驗(yàn)機(jī)施加沖擊載荷的頻率相比擺錘式及落錘式設(shè)備有很大提高，有的可達(dá)到10Hz，甚至達(dá)到20Hz，因此這類設(shè)備可以用于低周沖擊疲勞測(cè)試，也可以用于壽命相對(duì)較長(zhǎng)的高周沖擊疲勞測(cè)試。但是，由于在施加沖擊載荷過程中，設(shè)備中的彈簧自身也承受著疲勞載荷，彈簧的破壞是該類試驗(yàn)設(shè)備使用過程中存在的主要問題。圖3為S.S. Ermakov[19]設(shè)計(jì)的純彎沖擊疲勞試驗(yàn)機(jī)，設(shè)備通過一個(gè)電動(dòng)機(jī)反復(fù)驅(qū)動(dòng)沖頭向上移動(dòng)壓縮彈簧，然后釋放沖擊試件，其沖擊頻率能達(dá)到600次/min。電機(jī)同時(shí)還驅(qū)動(dòng)試件自身轉(zhuǎn)動(dòng)，使得其每沖擊一次都會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)15°，從而在一定程度上模擬應(yīng)力比R=-1的沖擊疲勞問題。類似的沖擊疲勞試驗(yàn)機(jī)還可以水平放置，如圖4所示，通過凸輪不斷地壓縮彈簧然后釋放從而產(chǎn)生沖擊載荷[20，22]。

Hopkinson桿式?jīng)_擊疲勞試驗(yàn)機(jī)的加載方式不同于前述三類試驗(yàn)機(jī)，它不是直接將沖擊力施加到試件上，而是通過一根長(zhǎng)2～3m的金屬桿，將施加到長(zhǎng)杠上的撞擊力傳遞到另一端的試件上，如圖5所示。該類試驗(yàn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于可以通過調(diào)整長(zhǎng)桿長(zhǎng)度、套管長(zhǎng)度以及長(zhǎng)桿上的撞擊點(diǎn)位置較方便地調(diào)控試件上應(yīng)力的波形。圖5所示的使用連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)套管來撞擊長(zhǎng)桿的Hopkinson桿式?jīng)_擊疲勞試驗(yàn)機(jī)的加載頻率為10Hz。如果借助彈簧及液壓設(shè)備驅(qū)動(dòng)，還能提高加載頻率，但同樣存在彈簧易于損壞的問題。圖5（a）為Tanaka等[21]在研究拉伸沖擊疲勞載荷下裂紋擴(kuò)展特性時(shí)使用的試驗(yàn)機(jī)，其根據(jù)Hopkinson桿設(shè)計(jì)而來。通過連桿機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)套管上滑塊的來回平動(dòng)，滑塊帶動(dòng)長(zhǎng)套管撞擊長(zhǎng)桿，長(zhǎng)桿又將沖擊力傳到試件上，從而對(duì)試件施加拉升沖擊疲勞載荷。圖5（b）為測(cè)量得到的低碳鋼試件受到的一次沖擊應(yīng)力。為了增大疲勞試驗(yàn)機(jī)的頻率，Tanaka等[14]將連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)改為液壓彈簧驅(qū)動(dòng)，從而將沖擊頻率從10Hz提升到了20Hz，如圖6所示。

對(duì)于擺錘式、落錘式及彈簧沖錘式?jīng)_擊疲勞試驗(yàn)機(jī)，通常可以用來研究拉伸沖擊疲勞、壓縮沖擊疲勞、彎曲沖擊疲勞或是扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞。對(duì)于Hopkinson桿式?jīng)_擊疲勞試驗(yàn)機(jī)，學(xué)者們通常僅用于研究拉伸沖擊疲勞，并且一般都會(huì)給出試件上應(yīng)力的波形。

總的來說，關(guān)于沖擊疲勞的試驗(yàn)研究并不多見，并且主要工作都集中在20多年以前，2000年以后關(guān)于金屬材料沖擊疲勞的研究更為少見。不同的研究者大多根據(jù)自己的研究需求采用不同的試驗(yàn)方法，測(cè)試不同的試驗(yàn)內(nèi)容，并且，到目前為止，尚未形成統(tǒng)一的沖擊疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。另外，基本沒有直接用于沖擊疲勞測(cè)試的試驗(yàn)設(shè)備，均需要進(jìn)行專門設(shè)計(jì)或改裝。

2金屬材料在沖擊疲勞中的變形特點(diǎn)

研究金屬材料的沖擊疲勞變形特點(diǎn)時(shí)，首先應(yīng)先研究材料在單次沖擊載荷下的變形特點(diǎn)，然后研究材料在沖擊疲勞載荷下的變形特點(diǎn)。以下將依次進(jìn)行闡述。

2.1單次沖擊載荷

與非沖擊應(yīng)力相比，在單次沖擊載荷下沖擊應(yīng)力的作用時(shí)間非常短，僅約為一個(gè)周期下非沖擊疲勞應(yīng)力的0.1%～ 1%[14，23-24]。金屬材料在拉伸沖擊載荷作用下的典型應(yīng)力特征如圖7所示。該應(yīng)力時(shí)間曲線主要由初始拉伸沖擊應(yīng)力、隨后較小的壓縮應(yīng)力和相對(duì)較小振幅的振蕩衰減應(yīng)力三部分組成[14]。這種高加載速率會(huì)導(dǎo)致材料的變形和斷裂機(jī)制發(fā)生變化。由于微觀上位錯(cuò)及滑移機(jī)制機(jī)理的變化，沖擊載荷下材料會(huì)表現(xiàn)出一些與非沖擊載荷作用下不一樣的特點(diǎn)。在高應(yīng)變率下材料會(huì)發(fā)生強(qiáng)化，屈服強(qiáng)度提高，該現(xiàn)象叫做應(yīng)變率強(qiáng)化。

2.2沖擊疲勞載荷

沖擊疲勞載荷是由多次的沖擊載荷作用形成的，因此單次沖擊載荷下材料的變形響應(yīng)特性也體現(xiàn)在沖擊疲勞載荷中。試驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊疲勞下材料的塑性滑移集中程度比非沖擊疲勞更為嚴(yán)重，試件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的不均勻性也比非沖擊疲勞更大。與非沖擊疲勞相比，沖擊疲勞下低碳鋼的滑移帶的產(chǎn)生與材料晶粒特征的關(guān)系更加密切，沖擊疲勞下晶?；茙Э雌饋砀街保⑶以谙嗤h(huán)次數(shù)的沖擊疲勞載荷下產(chǎn)生滑移帶的晶粒數(shù)目與非沖擊疲勞相比要少[23]。另外，由于在沖擊疲勞載荷作用下，中碳鋼的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度更高[25]（見圖8），因此在相同的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子Kmax下，沖擊疲勞的裂紋尖端塑性變形區(qū)要小于非沖擊疲勞[26]時(shí)的情況（見圖9）。沖擊疲勞下的多系統(tǒng)滑移也比非沖擊疲勞下更復(fù)雜。疲勞裂紋尖端位錯(cuò)密度的測(cè)量結(jié)果也表明，在相同的Kmax水平下，非沖擊疲勞的位錯(cuò)密度大于沖擊疲勞的位錯(cuò)密度。這一趨勢(shì)可以認(rèn)為是由于非沖擊疲勞下易發(fā)生多系統(tǒng)滑移所致。

材料在沖擊疲勞載荷作用下，由于材料的不斷強(qiáng)化，每次沖擊下材料塑性應(yīng)變的增量會(huì)越來越小。Sun等[18]在研究AERMET100鋼的沖擊疲勞的過程中，通過測(cè)量缺口試件在三點(diǎn)彎曲沖擊疲勞載荷下缺口根部的應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，缺口根部塑性應(yīng)變隨著沖擊次數(shù)的增加而增大，但塑性應(yīng)變?cè)隽吭絹碓叫。鐖D10所示。

3金屬材料沖擊疲勞性能影響因素及疲勞特性分析

3.1影響因素

大量研究表明，材料在沖擊疲勞載荷作用下的斷裂同樣具有典型的疲勞斷裂特征[6]。對(duì)于材料的沖擊疲勞性能，仍然采用循環(huán)加載下的試驗(yàn)測(cè)試方法，但是材料沖擊疲勞性能的描述方法與常規(guī)疲勞不完全相同，主要有兩種方法，一種是采用沖擊能量（A）與沖擊疲勞壽命（Nf）的關(guān)系曲線（即A-Nf曲線）表示，另一種采用最大沖擊應(yīng)力（S）與沖擊疲勞壽命關(guān)系曲線（即S-Nf曲線）來表示。同時(shí)，影響材料沖擊疲勞性能的因素也與常規(guī)疲勞性能有明顯區(qū)別。

3.1.1影響金屬材料沖擊疲勞性能的因素

影響金屬材料沖擊疲勞性能的因素較多，包括材料的強(qiáng)度與塑性、沖擊韌性、沖擊應(yīng)力特征、沖擊速度等方面。以下將對(duì)這些影響因素逐一說明。

材料的強(qiáng)度與塑性對(duì)于同種類型的材料、不同牌號(hào)的材料具有不同的強(qiáng)度和塑性，這些材料的沖擊疲勞性能會(huì)呈現(xiàn)出明顯差異。參考文獻(xiàn)[27]研究了兩種同一類型但具有不同強(qiáng)度和塑性的鋼R6M5和R18，其中R6M5的強(qiáng)度比R18的強(qiáng)度大，R18的塑性更好。它們的A-Nf或S-Nf曲線出現(xiàn)了相交。圖11為R6M5與R18的A-Nf曲線。從圖11可以看出，在其交點(diǎn)右側(cè)，材料的抗沖擊疲勞性能主要取決于材料的強(qiáng)度水平（即高強(qiáng)度低塑性材料的沖擊疲勞壽命在相同的沖擊能量或沖擊應(yīng)力水平下，壽命比低強(qiáng)度高塑性的材料長(zhǎng)）。而在交叉點(diǎn)左側(cè)，材料的抗沖擊疲勞性能主要隨材料塑性的增加而增加。周惠久等[28]在對(duì)以前文獻(xiàn)進(jìn)行討論分析的同時(shí)，對(duì)多種碳鋼及不同熱處理?xiàng)l件下的沖擊疲勞性能進(jìn)行了很多試驗(yàn)研究，主要探究了強(qiáng)度及塑性對(duì)沖擊疲勞壽命的影響。他們的結(jié)論是，在交點(diǎn)下方的能量范圍內(nèi)強(qiáng)度高塑性低的材料抵抗多次沖擊的能力一定優(yōu)于強(qiáng)度低而塑性高的材料，并且在此范圍內(nèi)，主要是強(qiáng)度決定材料的抗沖擊破壞能力。此外，他們根據(jù)對(duì)裂紋出現(xiàn)遲早的試驗(yàn)觀察，初步認(rèn)為，材料裂紋萌生的快慢取決于強(qiáng)度因素，而裂紋擴(kuò)展速度取決于塑性因素。

沖擊韌性材料沖擊韌性值αk對(duì)沖擊疲勞性能存在影響，其影響程度與材料的強(qiáng)度有關(guān)。對(duì)于中低強(qiáng)度合金（強(qiáng)度低于600MPa），沖擊韌性值較少影響其抗沖擊疲勞性能，但是，對(duì)高強(qiáng)度合金（強(qiáng)度大于600MPa），通過提高其沖擊韌性值可以明顯提高材料的沖擊疲勞性能[28]。

沖擊應(yīng)力特征在高周沖擊疲勞時(shí)，沖擊應(yīng)力特征對(duì)沖擊疲勞壽命的影響很大。主要影響因素為應(yīng)力比R。R（R=σmin/σmax，σmin為施加的最小應(yīng)力，σmax為最大應(yīng)力）對(duì)沖擊疲勞壽命有重要影響。在相同的σmax水平下，R=0時(shí)沖擊疲勞壽命比R=-1時(shí)長(zhǎng)，且該影響隨最大應(yīng)力的增大而減小。

沖擊應(yīng)力的作用時(shí)間也對(duì)材料沖擊性能存在影響。然而對(duì)于高周沖擊疲勞，沖擊作用時(shí)間對(duì)材料沖擊疲勞強(qiáng)度的影響尚不清楚。一些材料的試驗(yàn)結(jié)果表明高周沖擊疲勞S-Nf特性與加載時(shí)間有關(guān)[24]。但參考文獻(xiàn)[29]研究了重復(fù)沖擊載荷下S35C鋼軸的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)高周沖擊疲勞時(shí)，材料的力學(xué)疲勞行為與傳統(tǒng)疲勞相似。在低周沖擊疲勞時(shí)，沖擊應(yīng)力的加載時(shí)間會(huì)影響沖擊疲勞強(qiáng)度。加載時(shí)間T越長(zhǎng)，光滑試樣的沖擊疲勞強(qiáng)度越低[24]。需要注意的是，這里的加載時(shí)間T屬于一般沖擊載荷的沖擊時(shí)間取值范圍。加載時(shí)間對(duì)光滑試樣的沖擊疲勞壽命Nf的影響可表示為：

大多數(shù)光滑件的低周沖擊疲勞試驗(yàn)結(jié)果符合上述公式[23]。然而，對(duì)于缺口試樣，某碳鋼的沖擊疲勞試驗(yàn)表明，加載時(shí)間對(duì)沖擊疲勞壽命的影響與光滑試樣的情況相反，即加載時(shí)間越長(zhǎng)，沖擊疲勞壽命越高[31]。這有可能是沖擊疲勞載荷下，加載時(shí)間越長(zhǎng)（代表著加載速率越小，應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)越弱），缺口根部的塑性變形集中程度越小。并且隨著加載時(shí)間的增加，塑性變形范圍增加，缺口敏感性減小[32]。

沖擊速度在某些條件下，當(dāng)單次沖擊能量相同時(shí)，單次沖擊速度越快疲勞壽命可能越大。如承受壓縮沖擊載荷的steel U8鋼，在每次沖擊能量相同時(shí)，沖擊速度越快，平均疲勞壽命越大（見圖12（a）），并且沖擊速度越快，相同載荷循環(huán)次數(shù)下殘余變形越大（見圖12（b））[33]。

3.1.2沖擊與非沖擊疲勞強(qiáng)度的比較以及沖擊疲勞性能改善方法

研究表明，對(duì)于大多數(shù)材料，光滑試件的沖擊疲勞強(qiáng)度要低于非沖擊疲勞強(qiáng)度[14]，并且沖擊疲勞與非沖擊疲勞的疲勞極限之差隨著硬度的增加而增大（見圖13（a））[31]。但對(duì)于某些材料，尤其是低強(qiáng)度合金（如Sn-40Pb），在沖擊載荷下表現(xiàn)出較好的塑性，不容易出現(xiàn)脆性斷裂，此時(shí)，它在沖擊疲勞下的疲勞強(qiáng)度反而高于常規(guī)疲勞的情況（見圖13（b））[31]。人們認(rèn)為這與低強(qiáng)度高韌性材料在沖擊疲勞載荷中的累積塑性變形規(guī)律有關(guān)。值得注意的是，圖13（b）顯示材料的非沖擊疲勞強(qiáng)度也受加載頻率的影響，這可能是這種材料具有的獨(dú)特性能。因?yàn)樵囼?yàn)表明，大多數(shù)金屬材料的疲勞強(qiáng)度在該加載頻率范圍內(nèi)沒有多大的變化，例如，一些鋼材在5Hz時(shí)的疲勞強(qiáng)度與150Hz時(shí)的比較僅有百分之幾的差別，但對(duì)于頻率為1Hz甚至更低頻率的情況，還缺少相關(guān)研究。

表面強(qiáng)化、滲碳處理、低溫及預(yù)拉伸均可以增加材料的抗沖擊疲勞性能。由于表面塑性應(yīng)變會(huì)在表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力場(chǎng)，因此能影響材料的抗疲勞性能[34]，圖14[35]顯示了表面強(qiáng)化對(duì)彎曲沖擊疲勞載荷下光滑和缺口圓柱形12KhN3A鋼試件沖擊疲勞壽命的提升作用，圖中1與2為光滑件，3與4為缺口件，虛線為表面強(qiáng)化過的試件，實(shí)線則沒有表面強(qiáng)化。滲碳對(duì)于有應(yīng)力集中以及沒有應(yīng)力集中的試件的影響不同，對(duì)于彎曲沖擊疲勞的鋼試件，滲碳深度為1.3mm時(shí)比滲碳深度為0.5mm時(shí)，光滑件的沖擊疲勞強(qiáng)度有明顯提高，而缺口件的沖擊疲勞強(qiáng)度卻明顯下降[36]。試驗(yàn)表明，降低溫度可以提升鋼的拉伸沖擊疲勞極限[37]。另外，冉剛等[38]通過對(duì)比預(yù)拉伸試樣與無預(yù)拉伸試驗(yàn)的沖擊能量—沖擊疲勞壽命曲線，研究A-100鋼單邊缺口三點(diǎn)彎曲試樣預(yù)拉伸后沖擊疲勞性能的變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)預(yù)拉伸可以延長(zhǎng)試樣的沖擊疲勞萌生壽命，但對(duì)裂紋擴(kuò)展壽命無影響。

3.2金屬材料在沖擊疲勞下的裂紋萌生與擴(kuò)展特性

3.2.1裂紋萌生特性

對(duì)沖擊疲勞和非沖擊疲勞裂紋萌生的相關(guān)研究表明，光滑試件的沖擊疲勞裂紋萌生壽命要高于非沖擊疲勞裂紋萌生壽命，但缺口試件的沖擊疲勞裂紋萌生壽命卻比非沖擊疲勞的短。如Iguchi等[23]在研究低碳鋼的沖擊疲勞問題時(shí)發(fā)現(xiàn)，缺口試件受沖擊疲勞載荷時(shí)，裂紋萌生及裂紋擴(kuò)展壽命都要小于受非沖擊疲勞載荷的情況。由于疲勞裂紋的萌生通常認(rèn)為是塑性變形累積的結(jié)果[39]，因此，有理由認(rèn)為光滑試件和缺口試件的差異是由于光滑試件在沖擊疲勞載荷下發(fā)生塑性變形較為困難，而缺口試件在沖擊疲勞載荷作用下塑性變形集中程度和缺口敏感性較大。相比于非沖擊疲勞載荷，沖擊疲勞載荷下缺口尖端的裂紋張開率更大，裂紋尖端塑性區(qū)更小[21]。加載時(shí)間對(duì)缺口試件沖擊疲勞裂紋萌生壽命的影響規(guī)律亦支持上述推測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，缺口試件的沖擊疲勞裂紋萌生壽命隨加載時(shí)間的延長(zhǎng)而延長(zhǎng)[31]。這一規(guī)律被認(rèn)為是變形集中和缺口敏感性隨加載時(shí)間的延長(zhǎng)而降低的結(jié)果。

缺口半徑ρ對(duì)沖擊疲勞裂紋萌生壽命Ni的影響可以表示[26]為：

3.2.2裂紋擴(kuò)展特性

很多金屬材料的試驗(yàn)結(jié)果都表明，材料在沖擊疲勞下的裂紋擴(kuò)展亦遵循Paris定律。同時(shí)，沖擊應(yīng)力特征參數(shù)對(duì)裂紋擴(kuò)展有較大影響[24]。對(duì)于較低的ΔK，低碳鋼沖擊疲勞裂紋擴(kuò)展速率受加載時(shí)間的影響較小，但ΔK較高時(shí)沖擊疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯受加載時(shí)間的影響，加載時(shí)間越長(zhǎng)，沖擊疲勞裂紋擴(kuò)展速率越高[24]。

沖擊載荷會(huì)增加材料的脆性斷裂趨勢(shì)，從而降低材料的疲勞強(qiáng)度并增加疲勞裂紋擴(kuò)展速率。例如，相比于受非沖擊疲勞載荷，F(xiàn)e-3Si鋼在沖擊疲勞作用下從韌性斷裂向脆性斷裂的轉(zhuǎn)變發(fā)生于更低的ΔK水平。另外，過載沖擊會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展的延遲[40]。增加過載比（R0=Pover/Pmax，其中Pover為過載力，Pmax為最大循環(huán)力）和過載循環(huán)次數(shù)，或減小過載沖擊速度和基準(zhǔn)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔKb，都會(huì)增加過載延遲循環(huán)次數(shù)[41]。沖擊疲勞中過載對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的延遲效應(yīng)大于非沖擊疲勞載荷的情況。

3.3微觀組織對(duì)金屬材料沖擊疲勞性能的影響

微觀組織對(duì)金屬材料沖擊疲勞性能的影響十分明顯，尤其是在低沖擊能量或低沖擊應(yīng)力條件下[42]。另外，受沖擊疲勞載荷時(shí)，材料微觀組織對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響要大于非沖擊疲勞時(shí)。但是，當(dāng)循環(huán)塑性區(qū)的尺寸與金屬材料的特征組織尺寸相當(dāng)時(shí)，微觀組織對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響將消失[24]。許多研究都表明，在一定的試驗(yàn)條件下，能夠找到一種材料最優(yōu)的微觀組織呈現(xiàn)出最佳抗沖擊疲勞性能。

研究表明，孔洞夾雜等缺陷處會(huì)萌生疲勞裂紋，并且孔洞及夾雜缺陷同樣會(huì)對(duì)裂紋的擴(kuò)展造成影響。例如，硬質(zhì)合金在小能量多次沖擊下，孔洞、粗顆粒碳化鎢（WC）和非金屬夾雜等粉末冶金缺陷處萌生裂紋，萌生的裂紋、WC剝落產(chǎn)生的孔洞與材料本身的缺陷（微裂紋、孔洞等）相互連接形成的主裂紋快速擴(kuò)展，導(dǎo)致材料斷裂[43-45]，圖15為某硬質(zhì)合金的沖擊疲勞斷面。有學(xué)者研究了沖擊疲勞下高錳鋼裂紋萌生、擴(kuò)展及斷裂機(jī)理，發(fā)現(xiàn)試件缺口處晶粒在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生了塑性變形誘發(fā)的與主應(yīng)力方向約呈45°的大量滑移線，這些滑移線即成為裂紋源，導(dǎo)致裂紋萌生，在隨后的裂紋擴(kuò)展階段裂紋繼續(xù)沿45°滑移線進(jìn)行，途經(jīng)各種缺陷時(shí)會(huì)向缺陷擴(kuò)展，從而產(chǎn)生了方向改變及分支[46]，圖16為鋼試件表面觀察到的滑移線。

合金中某些元素含量的不同，同樣會(huì)對(duì)材料的沖擊疲勞性能產(chǎn)生影響，并且晶粒的大小也會(huì)有影響。例如，在相同的能量比下，Co含量越高的硬質(zhì)合金疲勞敏感性越大，其低周沖擊疲勞壽命越短；對(duì)于WC硬質(zhì)合金，由于裂紋偏轉(zhuǎn)增韌機(jī)制的作用，晶粒尺寸越大，其沖擊疲勞壽命越長(zhǎng)[43]。

由于熱處理方式能在一定程度上改變材料內(nèi)部的組織，因此其對(duì)材料的沖擊疲勞性能有著重要的影響[47-49]。30CrMnSiNiA鋼回火溫度在250℃時(shí)可獲得最大的沖擊疲勞壽命，此時(shí)，裂紋萌生壽命與抗拉強(qiáng)度處于最佳狀態(tài)[46]。幾種Cr-Ni鋼在220～240℃范圍內(nèi)回火時(shí)材料的沖擊疲勞性能要比在180～200℃范圍內(nèi)更好。在含大量合金元素的淬火合金鋼上形成的殘余奧氏體對(duì)材料沖擊性能有一定的影響。例如，Kozyrev等對(duì)一種含11.5%Cr的工具鋼進(jìn)行沖擊疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在高應(yīng)力水平下，殘余奧氏體可提高該工具鋼的沖擊疲勞性能，但在低應(yīng)力水平下則相反。另外，通過熱循環(huán)在馬氏體時(shí)效鋼中生成殘余奧氏體，可以提高低周沖擊疲勞性能，這是由于裂尖的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體產(chǎn)生了應(yīng)力松弛所導(dǎo)致。

4沖擊疲勞壽命預(yù)估方法

沖擊疲勞試驗(yàn)只能針對(duì)某些特定載荷條件進(jìn)行測(cè)試，為了進(jìn)行材料與結(jié)構(gòu)在各種循環(huán)沖擊條件下的設(shè)計(jì)分析，還需要提出材料的沖擊損傷模型。由于關(guān)于金屬材料沖擊疲勞問題研究的文獻(xiàn)較少，關(guān)于沖擊疲勞損傷模型的研究更是少見，目前在這方面的工作還需要進(jìn)行深入研究。

借鑒常規(guī)疲勞壽命的預(yù)測(cè)方法，最簡(jiǎn)單的思路就是結(jié)合材料沖擊疲勞試驗(yàn)的S—N曲線或A—Nf曲線（單次沖擊能量-疲勞壽命曲線）進(jìn)行沖擊疲勞壽命預(yù)估。當(dāng)沖擊疲勞試驗(yàn)結(jié)果用應(yīng)變幅值（？εp）與循環(huán)壽命（Nf）曲線表示時(shí)，疲勞壽命符合Coffin-Manson定律[23，25]：

由于損傷力學(xué)方法很容易與沖擊動(dòng)力響應(yīng)過程相關(guān)聯(lián)，因此受到了較多學(xué)者的青睞。張我華等[52]將連續(xù)損傷力學(xué)理論應(yīng)用于鍛錘基礎(chǔ)系統(tǒng)的疲勞損傷研究，給出了單次沖擊載荷造成的損傷分析模型和多次沖擊載荷作用下宏觀損傷累積模型，并采用有限元數(shù)值解法，根據(jù)臨界疲勞損傷條件確定了鍛錘基礎(chǔ)系統(tǒng)的沖擊疲勞壽命；鄒希等[53]基于損傷力學(xué)方法，建立了材料沖擊損傷演化方程和參數(shù)標(biāo)定方法，采用該模型計(jì)算每一次沖擊載荷下材料的沖擊損傷，并考慮了沖擊響應(yīng)與材料損傷的耦合效應(yīng)。不過，沖擊疲勞的有限元法分析本身比較復(fù)雜，同時(shí)分析過程中用到的損傷方程涉及應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)與損傷場(chǎng)的耦合作用，導(dǎo)致計(jì)算的效率很低[54]。

沖擊損傷模型的建立是進(jìn)行沖擊疲勞分析的重要理論基礎(chǔ)，但現(xiàn)有的模型還存在諸多不完善之處。一方面材料的應(yīng)變率效應(yīng)考慮不多，另一方面，沖擊損傷演化模型的試驗(yàn)基礎(chǔ)尚不明晰，模型的試驗(yàn)驗(yàn)證也有待加強(qiáng)。

5結(jié)束語

本文對(duì)國內(nèi)外沖擊疲勞研究進(jìn)行了較為全面的闡述，包括沖擊疲勞試驗(yàn)方法、材料的沖擊疲勞變形特點(diǎn)、材料的沖擊疲勞性能研究，以及沖擊疲勞壽命預(yù)估方法。通過文獻(xiàn)調(diào)研和分析可知：

（1）目前對(duì)于材料的沖擊疲勞壽命試驗(yàn)方法尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于材料的沖擊疲勞性能也缺乏統(tǒng)一的描述方法。按照沖擊載荷的施加方式，沖擊疲勞試驗(yàn)設(shè)備可以分為四大類：擺錘式、落錘式、彈簧沖錘式以及Hopkinson桿式。材料沖擊疲勞性能的描述方法主要有兩種，一種是采用沖擊能量（A）與沖擊疲勞壽命（Nf）的關(guān)系曲線（即A-Nf曲線）表示，另一種采用最大沖擊應(yīng)力（S）與沖擊疲勞壽命關(guān)系曲線（即S-Nf曲線）來表示。

（2）材料的沖擊疲勞性能與常規(guī)疲勞性能存在較大差異，材料的變形規(guī)律、疲勞強(qiáng)度、裂紋萌生特性、裂紋擴(kuò)展特性均存在不同。較大的應(yīng)變率是造成這些差異的主要原因。與非沖擊疲勞應(yīng)力相比，沖擊疲勞應(yīng)力的作用時(shí)間非常短，僅為非沖擊疲勞的0.1%～1%。

（3）影響材料沖擊疲勞性能的因素較多，包括材料的強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性、微觀組織、應(yīng)力水平、缺口效應(yīng)、沖擊時(shí)間、沖擊應(yīng)力特征等。并且在不同情況下，這些因素的影響規(guī)律不相同。

（4）目前對(duì)于材料與結(jié)構(gòu)的沖擊疲勞損傷模型和壽命預(yù)估方法尚不多見，也遠(yuǎn)未成熟。比較基礎(chǔ)的方法是基于材料沖擊疲勞試驗(yàn)的S-N曲線或A-Nf曲線（單次沖擊能量-疲勞壽命曲線）進(jìn)行沖擊疲勞壽命預(yù)估。其他方法還有待繼續(xù)完善發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介

楊素淞（1995-）男，碩士，博士研究生。主要研究方向：連續(xù)損傷力學(xué)、疲勞損傷。

Tel：18869834506

E-mail：yangsusong2018@163.com

白春玉（1984-）男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。

Tel：029-88268610

E-mail：baichunyu2006@163.com

楊強(qiáng)（1987-）男，碩士，工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。

Tel：029-88268287

E-mail：yqiang1230@163.com

胡偉平（1975-）男，博士，副教授。主要研究方向：損傷力學(xué)、材料疲勞。

Tel：13161649175E-mail：huweiping@buaa.edu.cn

詹志新（1988-）男，博士，副教授。主要研究方向：損傷力學(xué)、材料疲勞。

Tel：15501007650

E-mail：zzxupc@163.com

Review on Impact Fatigue of Metallic Materials and Structures

Yang Susong1，Bai Chunyu2，Yang Qiang2，Hu Weiping1，*，Zhan ZhiXin1

1. School of Aeronautics Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China

2. Aviation Key Laboratory of Technology and Science on Structure Impact Dynamics，AVIC Aircraft Strength Research Institute，Xian 710065，China

Abstract： In many engineering fields such as aviation， navigation， firearms and mining， etc， some metallic structures usually bear repeated impact loads which eventually result in impact fatigue failure in structures. The failure characteristics of materials and structures under impact fatigue loadings are often different from that under conventional fatigue loadings， which is the main cause that conventional fatigue test methods and life analysis approaches cannot be directly used for cases of impact fatigue. To learn the impact fatigue characteristics of metal materials， as well as the test methods and analysis approaches， the research progress in impact fatigue of metals is reviewed in this paper， including the regular use of test equipments， the main influencing factors on the impact fatigue behavior and the typical methods used in impact fatigue life prediction.

Key Words： impact fatigue； metals； fatigue life； experimental test； life prediction