金屬材料與結構沖擊疲勞問題研究綜述

楊素淞 白春玉 楊強 胡偉平 詹志新

摘要：航空、航海、槍械及石油開采等領域的一些金屬結構件，常常會承受多次沖擊載荷，形成沖擊疲勞失效。材料與結構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)疲勞試驗測試與壽命分析方法進行沖擊疲勞性能測試與壽命預估。為了充分認識和了解目前關于金屬材料的沖擊疲勞特性，以及沖擊疲勞試驗測試方法和理論分析方法，本文綜述了國內(nèi)外關于金屬材料沖擊疲勞的研究進展，概述了沖擊疲勞試驗測試設備及方法、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估方法。

關鍵詞：沖擊疲勞；金屬材料；疲勞壽命；試驗測試；壽命預估

中圖分類號：V215.5+2文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.001

基金項目：航空科學基金（20184151017）

工程結構中，有很多部件會受到重復沖擊載荷的作用，如艦載機上的攔阻鉤[1-4]、機載航炮中的復進簧[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]，這些結構在重復沖擊載荷作用下，導致最終的失效破壞。材料與結構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。但在工程實踐中，結構承受的沖擊載荷通常很大，因此多為低周沖擊疲勞問題，之前的幾個典型例子都屬該類沖擊疲勞。一般沖擊疲勞載荷按其特點可分為兩類：有規(guī)律的沖擊疲勞載荷和隨機沖擊疲勞載荷，并且在工程實際中，沖擊疲勞載荷往往會與常規(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，材料的應變率效應可以忽略，材料內(nèi)部的應力循環(huán)特征與外載荷循環(huán)特征一致。而在沖擊載荷作用下，材料的應變率效應不可忽略，并且材料會存在顯著的沖擊動力響應，使得材料內(nèi)部的應力循環(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，測試得到的疲勞失效特性通常是不同的。對金屬材料的研究表明，除了少數(shù)情況外，沖擊疲勞強度一般低于非沖擊疲勞強度[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)疲勞問題更加復雜。例如，在進行試驗測試時，需要對沖擊過程進行控制，以便進行材料在不同沖擊條件下的重復沖擊試驗。在進行壽命預估時，需要考慮構件的沖擊響應，以及疲勞損傷與沖擊響應之間的相互作用。正是由于沖擊疲勞試驗測試方法和材料沖擊疲勞性能描述等問題的復雜性，導致目前還沒有系統(tǒng)的理論、標準的測試方法，以及豐富的試驗數(shù)據(jù)用于指導受重復沖擊構件的材料選擇和結構設計。

本文對目前金屬材料沖擊疲勞的研究進展進行了綜述，包括研究者們提出的代表性沖擊疲勞試驗方法、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問題和后續(xù)研究方向，以期為工程結構沖擊疲勞設計和評估的相關研究工作提供參考。

1沖擊疲勞試驗方法

工程結構中的不同零部件往往承受不同類型的沖擊載荷。一直以來，人們通過標準沖擊試驗機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重要參數(shù)。然而，沖擊韌性測試時通過施加一次性沖擊載荷并使試樣破壞，在實際工程結構中幾乎沒有一個機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，結構件是在反復沖擊載荷的作用下失效或破壞的。因此，為了能夠更為準確地評價材料在反復沖擊載荷下的力學性能，必須進行相應的沖擊疲勞試驗。

由于沖擊疲勞工況的多樣性及沖擊疲勞問題的復雜性，研究者們采用的沖擊疲勞試驗方法多種多樣，試驗設備也不盡相同，基本沒有可依據(jù)的統(tǒng)一試驗標準。根據(jù)查閱到的關于金屬沖擊疲勞的文獻資料，按照沖擊載荷的施加方式，沖擊疲勞試驗設備可以分為四類：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)_擊試驗機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，影響試驗效果。圖1為V.M.Radhakrishnan等[17]設計的一個沖擊疲勞試驗機。它通過電機驅(qū)動有著兩個相距180°銷釘?shù)膱A盤轉(zhuǎn)動，使擺錘反復擺動撞擊試件，從而產(chǎn)生反復沖擊載荷，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]針對高強度鋼AerMet100在重復高應變率沖擊載荷下的超低周疲勞行為，設計了一個三點彎曲沖擊疲勞試驗，通過不斷地將落錘提升到一定高度后釋放，從而形成反復的三點彎沖擊疲勞載荷。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。

彈簧沖錘式試驗設備由于借助了彈簧的彈力，因此能產(chǎn)生很大的加速度，可以在短時間內(nèi)將沖頭加速到較大的速度。這類試驗機施加沖擊載荷的頻率相比擺錘式及落錘式設備有很大提高，有的可達到10Hz，甚至達到20Hz，因此這類設備可以用于低周沖擊疲勞測試，也可以用于壽命相對較長的高周沖擊疲勞測試。但是，由于在施加沖擊載荷過程中，設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設備使用過程中存在的主要問題。圖3為S.S. Ermakov[19]設計的純彎沖擊疲勞試驗機，設備通過一個電動機反復驅(qū)動沖頭向上移動壓縮彈簧，然后釋放沖擊試件，其沖擊頻率能達到600次/min。電機同時還驅(qū)動試件自身轉(zhuǎn)動，使得其每沖擊一次都會轉(zhuǎn)動15°，從而在一定程度上模擬應力比R=-1的沖擊疲勞問題。類似的沖擊疲勞試驗機還可以水平放置，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)_擊疲勞試驗機的加載方式不同于前述三類試驗機，它不是直接將沖擊力施加到試件上，而是通過一根長2～3m的金屬桿，將施加到長杠上的撞擊力傳遞到另一端的試件上，如圖5所示。該類試驗機的優(yōu)點在于可以通過調(diào)整長桿長度、套管長度以及長桿上的撞擊點位置較方便地調(diào)控試件上應力的波形。圖5所示的使用連桿機構驅(qū)動套管來撞擊長桿的Hopkinson桿式?jīng)_擊疲勞試驗機的加載頻率為10Hz。如果借助彈簧及液壓設備驅(qū)動，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展特性時使用的試驗機，其根據(jù)Hopkinson桿設計而來。通過連桿機構，將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為長套管上滑塊的來回平動，滑塊帶動長套管撞擊長桿，長桿又將沖擊力傳到試件上，從而對試件施加拉升沖擊疲勞載荷。圖5（b）為測量得到的低碳鋼試件受到的一次沖擊應力。為了增大疲勞試驗機的頻率，Tanaka等[14]將連桿機構驅(qū)動改為液壓彈簧驅(qū)動，從而將沖擊頻率從10Hz提升到了20Hz，如圖6所示。

對于擺錘式、落錘式及彈簧沖錘式?jīng)_擊疲勞試驗機，通?？梢杂脕硌芯坷鞗_擊疲勞、壓縮沖擊疲勞、彎曲沖擊疲勞或是扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞。對于Hopkinson桿式?jīng)_擊疲勞試驗機，學者們通常僅用于研究拉伸沖擊疲勞，并且一般都會給出試件上應力的波形。

總的來說，關于沖擊疲勞的試驗研究并不多見，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方法，測試不同的試驗內(nèi)容，并且，到目前為止，尚未形成統(tǒng)一的沖擊疲勞試驗標準。另外，基本沒有直接用于沖擊疲勞測試的試驗設備，均需要進行專門設計或改裝。

2金屬材料在沖擊疲勞中的變形特點

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

2.1單次沖擊載荷

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

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特性也體現(xiàn)在沖擊疲勞載荷中。試驗結果表明，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重，試件內(nèi)部應力應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系更加密切，沖擊疲勞下晶粒滑移帶看起來更平直，并且在相同循環(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，中碳鋼的動態(tài)屈服強度更高[25]（見圖8），因此在相同的最大應力強度因子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雜。疲勞裂紋尖端位錯密度的測量結果也表明，在相同的Kmax水平下，非沖擊疲勞的位錯密度大于沖擊疲勞的位錯密度。這一趨勢可以認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，由于材料的不斷強化，每次沖擊下材料塑性應變的增量會越來越小。Sun等[18]在研究AERMET100鋼的沖擊疲勞的過程中，通過測量缺口試件在三點彎曲沖擊疲勞載荷下缺口根部的應變發(fā)現(xiàn)，缺口根部塑性應變隨著沖擊次數(shù)的增加而增大，但塑性應變增量越來越小，如圖10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]。對于材料的沖擊疲勞性能，仍然采用循環(huán)加載下的試驗測試方法，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）的關系曲線（即A-Nf曲線）表示，另一種采用最大沖擊應力（S）與沖擊疲勞壽命關系曲線（即S-Nf曲線）來表示。同時，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，包括材料的強度與塑性、沖擊韌性、沖擊應力特征、沖擊速度等方面。以下將對這些影響因素逐一說明。

材料的強度與塑性對于同種類型的材料、不同牌號的材料具有不同的強度和塑性，這些材料的沖擊疲勞性能會呈現(xiàn)出明顯差異。參考文獻[27]研究了兩種同一類型但具有不同強度和塑性的鋼R6M5和R18，其中R6M5的強度比R18的強度大，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，在其交點右側(cè)，材料的抗沖擊疲勞性能主要取決于材料的強度水平（即高強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力水平下，壽命比低強度高塑性的材料長）。而在交叉點左側(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]在對以前文獻進行討論分析的同時，對多種碳鋼及不同熱處理條件下的沖擊疲勞性能進行了很多試驗研究，主要探究了強度及塑性對沖擊疲勞壽命的影響。他們的結論是，在交點下方的能量范圍內(nèi)強度高塑性低的材料抵抗多次沖擊的能力一定優(yōu)于強度低而塑性高的材料，并且在此范圍內(nèi)，主要是強度決定材料的抗沖擊破壞能力。此外，他們根據(jù)對裂紋出現(xiàn)遲早的試驗觀察，初步認為，材料裂紋萌生的快慢取決于強度因素，而裂紋擴展速度取決于塑性因素。

沖擊韌性材料沖擊韌性值αk對沖擊疲勞性能存在影響，其影響程度與材料的強度有關。對于中低強度合金（強度低于600MPa），沖擊韌性值較少影響其抗沖擊疲勞性能，但是，對高強度合金（強度大于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]。

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

沖擊應力的作用時間也對材料沖擊性能存在影響。然而對于高周沖擊疲勞，沖擊作用時間對材料沖擊疲勞強度的影響尚不清楚。一些材料的試驗結果表明高周沖擊疲勞S-Nf特性與加載時間有關[24]。但參考文獻[29]研究了重復沖擊載荷下S35C鋼軸的扭轉(zhuǎn)疲勞強度，發(fā)現(xiàn)高周沖擊疲勞時，材料的力學疲勞行為與傳統(tǒng)疲勞相似。在低周沖擊疲勞時，沖擊應力的加載時間會影響沖擊疲勞強度。加載時間T越長，光滑試樣的沖擊疲勞強度越低[24]。需要注意的是，這里的加載時間T屬于一般沖擊載荷的沖擊時間取值范圍。加載時間對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結果符合上述公式[23]。然而，對于缺口試樣，某碳鋼的沖擊疲勞試驗表明，加載時間對沖擊疲勞壽命的影響與光滑試樣的情況相反，即加載時間越長，沖擊疲勞壽命越高[31]。這有可能是沖擊疲勞載荷下，加載時間越長（代表著加載速率越小，應變率強化效應越弱），缺口根部的塑性變形集中程度越小。并且隨著加載時間的增加，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，當單次沖擊能量相同時，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，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度的比較以及沖擊疲勞性能改善方法

研究表明，對于大多數(shù)材料，光滑試件的沖擊疲勞強度要低于非沖擊疲勞強度[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]。但對于某些材料，尤其是低強度合金（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，它在沖擊疲勞下的疲勞強度反而高于常規(guī)疲勞的情況（見圖13（b））[31]。人們認為這與低強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。值得注意的是，圖13（b）顯示材料的非沖擊疲勞強度也受加載頻率的影響，這可能是這種材料具有的獨特性能。因為試驗表明，大多數(shù)金屬材料的疲勞強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時的疲勞強度與150Hz時的比較僅有百分之幾的差別，但對于頻率為1Hz甚至更低頻率的情況，還缺少相關研究。

表面強化、滲碳處理、低溫及預拉伸均可以增加材料的抗沖擊疲勞性能。由于表面塑性應變會在表面產(chǎn)生殘余應力場，因此能影響材料的抗疲勞性能[34]，圖14[35]顯示了表面強化對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，虛線為表面強化過的試件，實線則沒有表面強化。滲碳對于有應力集中以及沒有應力集中的試件的影響不同，對于彎曲沖擊疲勞的鋼試件，滲碳深度為1.3mm時比滲碳深度為0.5mm時，光滑件的沖擊疲勞強度有明顯提高，而缺口件的沖擊疲勞強度卻明顯下降[36]。試驗表明，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]通過對比預拉伸試樣與無預拉伸試驗的沖擊能量—沖擊疲勞壽命曲線，研究A-100鋼單邊缺口三點彎曲試樣預拉伸后沖擊疲勞性能的變化時，發(fā)現(xiàn)預拉伸可以延長試樣的沖擊疲勞萌生壽命，但對裂紋擴展壽命無影響。

3.2金屬材料在沖擊疲勞下的裂紋萌生與擴展特性

3.2.1裂紋萌生特性

對沖擊疲勞和非沖擊疲勞裂紋萌生的相關研究表明，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發(fā)現(xiàn)，缺口試件受沖擊疲勞載荷時，裂紋萌生及裂紋擴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為是塑性變形累積的結果[39]，因此，有理由認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]。加載時間對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。試驗結果表明，缺口試件的沖擊疲勞裂紋萌生壽命隨加載時間的延長而延長[31]。這一規(guī)律被認為是變形集中和缺口敏感性隨加載時間的延長而降低的結果。

缺口半徑ρ對沖擊疲勞裂紋萌生壽命Ni的影響可以表示[26]為：

3.2.2裂紋擴展特性

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

沖擊載荷會增加材料的脆性斷裂趨勢，從而降低材料的疲勞強度并增加疲勞裂紋擴展速率。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，過載沖擊會導致疲勞裂紋擴展的延遲[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應力強度因子范圍ΔKb，都會增加過載延遲循環(huán)次數(shù)[41]。沖擊疲勞中過載對疲勞裂紋擴展的延遲效應大于非沖擊疲勞載荷的情況。

3.3微觀組織對金屬材料沖擊疲勞性能的影響

微觀組織對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力條件下[42]。另外，受沖擊疲勞載荷時，材料微觀組織對疲勞裂紋擴展的影響要大于非沖擊疲勞時。但是，當循環(huán)塑性區(qū)的尺寸與金屬材料的特征組織尺寸相當時，微觀組織對疲勞裂紋擴展的影響將消失[24]。許多研究都表明，在一定的試驗條件下，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萌生疲勞裂紋，并且孔洞及夾雜缺陷同樣會對裂紋的擴展造成影響。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展，導致材料斷裂[43-45]，圖15為某硬質(zhì)合金的沖擊疲勞斷面。有學者研究了沖擊疲勞下高錳鋼裂紋萌生、擴展及斷裂機理，發(fā)現(xiàn)試件缺口處晶粒在交變應力作用下產(chǎn)生了塑性變形誘發(fā)的與主應力方向約呈45°的大量滑移線，這些滑移線即成為裂紋源，導致裂紋萌生，在隨后的裂紋擴展階段裂紋繼續(xù)沿45°滑移線進行，途經(jīng)各種缺陷時會向缺陷擴展，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，同樣會對材料的沖擊疲勞性能產(chǎn)生影響，并且晶粒的大小也會有影響。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；對于WC硬質(zhì)合金，由于裂紋偏轉(zhuǎn)增韌機制的作用，晶粒尺寸越大，其沖擊疲勞壽命越長[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℃時可獲得最大的沖擊疲勞壽命，此時，裂紋萌生壽命與抗拉強度處于最佳狀態(tài)[46]。幾種Cr-Ni鋼在220～240℃范圍內(nèi)回火時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材料沖擊性能有一定的影響。例如，Kozyrev等對一種含11.5%Cr的工具鋼進行沖擊疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)在高應力水平下，殘余奧氏體可提高該工具鋼的沖擊疲勞性能，但在低應力水平下則相反。另外，通過熱循環(huán)在馬氏體時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)生了應力松弛所導致。

4沖擊疲勞壽命預估方法

沖擊疲勞試驗只能針對某些特定載荷條件進行測試，為了進行材料與結構在各種循環(huán)沖擊條件下的設計分析，還需要提出材料的沖擊損傷模型。由于關于金屬材料沖擊疲勞問題研究的文獻較少，關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行深入研究。

借鑒常規(guī)疲勞壽命的預測方法，最簡單的思路就是結合材料沖擊疲勞試驗的S—N曲線或A—Nf曲線（單次沖擊能量-疲勞壽命曲線）進行沖擊疲勞壽命預估。當沖擊疲勞試驗結果用應變幅值（？εp）與循環(huán)壽命（Nf）曲線表示時，疲勞壽命符合Coffin-Manson定律[23，25]：

由于損傷力學方法很容易與沖擊動力響應過程相關聯(lián)，因此受到了較多學者的青睞。張我華等[52]將連續(xù)損傷力學理論應用于鍛錘基礎系統(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系統(tǒng)的沖擊疲勞壽命；鄒希等[53]基于損傷力學方法，建立了材料沖擊損傷演化方程和參數(shù)標定方法，采用該模型計算每一次沖擊載荷下材料的沖擊損傷，并考慮了沖擊響應與材料損傷的耦合效應。不過，沖擊疲勞的有限元法分析本身比較復雜，同時分析過程中用到的損傷方程涉及應力應變場與損傷場的耦合作用，導致計算的效率很低[54]。

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

5結束語

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

（1）目前對于材料的沖擊疲勞壽命試驗方法尚未形成統(tǒng)一標準，對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，沖擊疲勞試驗設備可以分為四大類：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）的關系曲線（即A-Nf曲線）表示，另一種采用最大沖擊應力（S）與沖擊疲勞壽命關系曲線（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、疲勞強度、裂紋萌生特性、裂紋擴展特性均存在不同。較大的應變率是造成這些差異的主要原因。與非沖擊疲勞應力相比，沖擊疲勞應力的作用時間非常短，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，包括材料的強度、塑性、沖擊韌性、微觀組織、應力水平、缺口效應、沖擊時間、沖擊應力特征等。并且在不同情況下，這些因素的影響規(guī)律不相同。

（4）目前對于材料與結構的沖擊疲勞損傷模型和壽命預估方法尚不多見，也遠未成熟。比較基礎的方法是基于材料沖擊疲勞試驗的S-N曲線或A-Nf曲線（單次沖擊能量-疲勞壽命曲線）進行沖擊疲勞壽命預估。其他方法還有待繼續(xù)完善發(fā)展。

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作者簡介

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、疲勞損傷。

Tel：18869834506

E-mail：yangsusong2018@163.com

白春玉（1984-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：結構沖擊動力學。

Tel：029-88268610

E-mail：baichunyu2006@163.com

楊強（1987-）男，碩士，工程師。主要研究方向：結構沖擊動力學。

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、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、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