金属构件冲击疲劳失效分析与寿命预估

金属构件冲击疲劳失效分析与寿命预估

在项目结构中，许多部件将重复荷架的操作，例如舰载机的锁定钩。材料的冲击疲劳性能与常规疲劳性能存在明显差异。在常规疲劳载荷作用下，材料的应变率效应可以忽略，材料内部的应力循环特征与外载荷循环特征一致。而在冲击载荷作用下，材料的应变率效应不可忽略，并且材料会存在显著的冲击动力响应，使得材料内部的应力循环特征与外载荷循环特征存在明显差别本文对目前金属材料冲击疲劳的研究进展进行了综述，包括研究者们提出的代表性冲击疲劳试验方法、材料冲击疲劳性能描述方法、冲击疲劳寿命分析方法，以及一些典型材料的冲击失效特性等。通过对现有研究成果的梳理，更加明晰在冲击疲劳问题研究中存在的主要难点问题和后续研究方向，以期为工程结构冲击疲劳设计和评估的相关研究工作提供参考。1弹簧冲锤冲击疲劳工程结构中的不同零部件往往承受不同类型的冲击载荷。一直以来，人们通过标准冲击试验机获得材料的冲击韧性，用于判断材料抵抗冲击破坏能力的一个重要参数。然而，冲击韧性测试时通过施加一次性冲击载荷并使试样破坏，在实际工程结构中几乎没有一个机械零部件仅在一次冲击载荷下发生断裂失效。在大多数情况下，结构件是在反复冲击载荷的作用下失效或破坏的。因此，为了能够更为准确地评价材料在反复冲击载荷下的力学性能，必须进行相应的冲击疲劳试验。由于冲击疲劳工况的多样性及冲击疲劳问题的复杂性，研究者们采用的冲击疲劳试验方法多种多样，试验设备也不尽相同，基本没有可依据的统一试验标准。根据查阅到的关于金属冲击疲劳的文献资料，按照冲击载荷的施加方式，冲击疲劳试验设备可以分为四类：摆锤式摆锤式及落锤式由于仅通过重力加速来产生冲击力，因而施加冲击载荷的频率较低，频率通常小于1Hz，因此一般仅适用于疲劳寿命较低的低周冲击疲劳情况。另外，采用摆锤式及落锤式冲击试验机在施加载荷的过程中需要在冲锤撞击试件反弹后再次落下前将冲锤拉升，防止冲锤的二次冲击，影响试验效果。图1为V.M.Radhakrishnan等弹簧冲锤式试验设备由于借助了弹簧的弹力，因此能产生很大的加速度，可以在短时间内将冲头加速到较大的速度。这类试验机施加冲击载荷的频率相比摆锤式及落锤式设备有很大提高，有的可达到10Hz，甚至达到20Hz，因此这类设备可以用于低周冲击疲劳测试，也可以用于寿命相对较长的高周冲击疲劳测试。但是，由于在施加冲击载荷过程中，设备中的弹簧自身也承受着疲劳载荷，弹簧的破坏是该类试验设备使用过程中存在的主要问题。图3为S.S.ErmakovHopkinson杆式冲击疲劳试验机的加载方式不同于前述三类试验机，它不是直接将冲击力施加到试件上，而是通过一根长2～3m的金属杆，将施加到长杠上的撞击力传递到另一端的试件上，如图5所示。该类试验机的优点在于可以通过调整长杆长度、套管长度以及长杆上的撞击点位置较方便地调控试件上应力的波形。图5所示的使用连杆机构驱动套管来撞击长杆的Hopkinson杆式冲击疲劳试验机的加载频率为10Hz。如果借助弹簧及液压设备驱动，还能提高加载频率，但同样存在弹簧易于损坏的问题。图5(a)为Tanaka等对于摆锤式、落锤式及弹簧冲锤式冲击疲劳试验机，通常可以用来研究拉伸冲击疲劳、压缩冲击疲劳、弯曲冲击疲劳或是扭转冲击疲劳。对于Hopkinson杆式冲击疲劳试验机，学者们通常仅用于研究拉伸冲击疲劳，并且一般都会给出试件上应力的波形。总的来说，关于冲击疲劳的试验研究并不多见，并且主要工作都集中在20多年以前，2000年以后关于金属材料冲击疲劳的研究更为少见。不同的研究者大多根据自己的研究需求采用不同的试验方法，测试不同的试验内容，并且，到目前为止，尚未形成统一的冲击疲劳试验标准。另外，基本没有直接用于冲击疲劳测试的试验设备，均需要进行专门设计或改装。2冲击载荷作用下材料的变形特点研究金属材料的冲击疲劳变形特点时，首先应先研究材料在单次冲击载荷下的变形特点，然后研究材料在冲击疲劳载荷下的变形特点。以下将依次进行阐述。2.1单次电压损失与非冲击应力相比，在单次冲击载荷下冲击应力的作用时间非常短，仅约为一个周期下非冲击疲劳应力的0.1%～1%2.2晶粒特征对材料塑性应变的影响冲击疲劳载荷是由多次的冲击载荷作用形成的，因此单次冲击载荷下材料的变形响应特性也体现在冲击疲劳载荷中。试验结果表明，冲击疲劳下材料的塑性滑移集中程度比非冲击疲劳更为严重，试件内部应力应变的不均匀性也比非冲击疲劳更大。与非冲击疲劳相比，冲击疲劳下低碳钢的滑移带的产生与材料晶粒特征的关系更加密切，冲击疲劳下晶粒滑移带看起来更平直，并且在相同循环次数的冲击疲劳载荷下产生滑移带的晶粒数目与非冲击疲劳相比要少材料在冲击疲劳载荷作用下，由于材料的不断强化，每次冲击下材料塑性应变的增量会越来越小。Sun等3影响螺母性能的因素和影响因素的分析3.1影响因素大量研究表明，材料在冲击疲劳载荷作用下的断裂同样具有典型的疲劳断裂特征3.1.1冲击应力特征对冲击疲劳性能的影响影响金属材料冲击疲劳性能的因素较多，包括材料的强度与塑性、冲击韧性、冲击应力特征、冲击速度等方面。以下将对这些影响因素逐一说明。材料的强度与塑性对于同种类型的材料、不同牌号的材料具有不同的强度和塑性，这些材料的冲击疲劳性能会呈现出明显差异。参考文献冲击韧性材料冲击韧性值α冲击应力特征在高周冲击疲劳时，冲击应力特征对冲击疲劳寿命的影响很大。主要影响因素为应力比R。R(R=σ冲击应力的作用时间也对材料冲击性能存在影响。然而对于高周冲击疲劳，冲击作用时间对材料冲击疲劳强度的影响尚不清楚。一些材料的试验结果表明高周冲击疲劳S-N式中：m和D是有关冲击疲劳强度的材料常数。一般来说，冲击疲劳和非冲击疲劳的m和D值不同，且冲击疲劳时的数值小于非冲击疲劳时的数值大多数光滑件的低周冲击疲劳试验结果符合上述公式冲击速度在某些条件下，当单次冲击能量相同时，单次冲击速度越快疲劳寿命可能越大。如承受压缩冲击载荷的steelU8钢，在每次冲击能量相同时，冲击速度越快，平均疲劳寿命越大（见图12(a)），并且冲击速度越快，相同载荷循环次数下残余变形越大（见图12(b))3.1.2非冲击疲劳强度表面改性研究表明，对于大多数材料，光滑试件的冲击疲劳强度要低于非冲击疲劳强度表面强化、渗碳处理、低温及预拉伸均可以增加材料的抗冲击疲劳性能。由于表面塑性应变会在表面产生残余应力场，因此能影响材料的抗疲劳性能3.2在受到影响的金属氧化的影响下，材料裂缝的萌发和肿胀特征3.2.1裂纹萌发特性对冲击疲劳和非冲击疲劳裂纹萌生的相关研究表明，光滑试件的冲击疲劳裂纹萌生寿命要高于非冲击疲劳裂纹萌生寿命，但缺口试件的冲击疲劳裂纹萌生寿命却比非冲击疲劳的短。如Iguchi等缺口半径ρ对冲击疲劳裂纹萌生寿命N式中：α和β是材料参数。缺口锐度小时，冲击疲劳裂纹萌生寿命主要取决于材料的强度，以及随着应力集中程度增加时材料强度与塑性的综合状态。3.2.2材料损伤第二受害者的损伤速率很多金属材料的试验结果都表明，材料在冲击疲劳下的裂纹扩展亦遵循Paris定律。同时，冲击应力特征参数对裂纹扩展有较大影响冲击载荷会增加材料的脆性断裂趋势，从而降低材料的疲劳强度并增加疲劳裂纹扩展速率。例如，相比于受非冲击疲劳载荷，Fe-3Si钢在冲击疲劳作用下从韧性断裂向脆性断裂的转变发生于更低的ΔK水平。另外，过载冲击会导致疲劳裂纹扩展的延迟3.3裂纹扩展特性微观组织对金属材料冲击疲劳性能的影响十分明显，尤其是在低冲击能量或低冲击应力条件下研究表明，孔洞夹杂等缺陷处会萌生疲劳裂纹，并且孔洞及夹杂缺陷同样会对裂纹的扩展造成影响。例如，硬质合金在小能量多次冲击下，孔洞、粗颗粒碳化钨（WC）和非金属夹杂等粉末冶金缺陷处萌生裂纹，萌生的裂纹、WC剥落产生的孔洞与材料本身的缺陷(微裂纹、孔洞等)相互连接形成的主裂纹快速扩展，导致材料断裂合金中某些元素含量的不同，同样会对材料的冲击疲劳性能产生影响，并且晶粒的大小也会有影响。例如，在相同的能量比下，Co含量越高的硬质合金疲劳敏感性越大，其低周冲击疲劳寿命越短；对于WC硬质合金，由于裂纹偏转增韧机制的作用，晶粒尺寸越大，其冲击疲劳寿命越长由于热处理方式能在一定程度上改变材料内部的组织，因此其对材料的冲击疲劳性能有着重要的影响4基于冲击载荷作用的疲劳寿命预测模型冲击疲劳试验只能针对某些特定载荷条件进行测试，为了进行材料与结构在各种循环冲击条件下的设计分析，还需要提出材料的冲击损伤模型。由于关于金属材料冲击疲劳问题研究的文献较少，关于冲击疲劳损伤模型的研究更是少见，目前在这方面的工作还需要进行深入研究。借鉴常规疲劳寿命的预测方法，最简单的思路就是结合材料冲击疲劳试验的S—N曲线或A—N式中：β和D是材料常数。还有一种方法是基于能量分析的方法。Johnson等式中：E有学者式中：ε将连续损伤力学方法结合有限元应力计算，可以在模拟冲击载荷施加的过程中对材料的疲劳损伤进行计算，并考虑损伤场与应力场的相互耦合作用，是一种值得研究的方法。Sun等式中：σ由于损伤力学方法很容易与冲击动力响应过程相关联，因此受到了较多学者的青睐。张我华等冲击损伤模型的建立是进行冲击疲劳分析的重要理论基础，但现有的模型还存在诸多不完善之处。一方面材料的应变率效应考虑不多，另一方面，冲击损伤演化模型的试验基础尚不明晰，模型的试验验证也有待加强。5冲击疲劳性能描述方法小本文对国内外冲击疲劳研究进行了较为全面的阐述，包括冲击疲劳试验方法、材料的冲击疲劳变形特点、材料的冲击疲劳性能研究，以及冲击疲劳寿命预估方法。通过文献调研和分析可知：(1）目前对于材料的冲击疲劳寿命试验方法尚未形成统一标准，对于材料的冲击疲劳性能也缺乏统一的描述方法。按照冲击载荷的施加方式，冲击疲劳试验设备可以分为四大类：摆锤式、落锤式、弹簧冲锤式以及Hopkinson杆式。材料冲击疲劳性能的描述方法主要有两种，一种是采用冲击能量（A）与冲击疲劳寿命（N(2）材料的冲击疲劳性能与常规疲劳性能存在较大差异，材料的变形规律、疲劳强度、裂纹萌生特性、裂纹扩展特性均存