金屬構(gòu)件沖擊疲勞失效分析與壽命預(yù)估

金屬構(gòu)件沖擊疲勞失效分析與壽命預(yù)估

在項(xiàng)目結(jié)構(gòu)中，許多部件將重復(fù)荷架的操作，例如艦載機(jī)的鎖定鉤。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彈簧沖錘沖擊疲勞工程結(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.ErmakovHopkinson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(yàn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)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(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?？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(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?？偟膩碚f，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沖擊載荷作用下材料的變形特點(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單次電壓損失與非沖擊應(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%2.2晶粒特征對(duì)材料塑性應(yīng)變的影響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?，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3影響螺母性能的因素和影響因素的分析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3.1.1沖擊應(yīng)力特征對(duì)沖擊疲勞性能的影響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)沖擊韌性材料沖擊韌性值α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=σ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-N式中：m和D是有關(guān)沖擊疲勞強(qiáng)度的材料常數(shù)。一般來說，沖擊疲勞和非沖擊疲勞的m和D值不同，且沖擊疲勞時(shí)的數(shù)值小于非沖擊疲勞時(shí)的數(shù)值大多數(shù)光滑件的低周沖擊疲勞試驗(yàn)結(jié)果符合上述公式?jīng)_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steelU8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))3.1.2非沖擊疲勞強(qiáng)度表面改性研究表明，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3.2在受到影響的金屬氧化的影響下，材料裂縫的萌發(fā)和腫脹特征3.2.1裂紋萌發(fā)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等缺口半徑ρ對(duì)沖擊疲勞裂紋萌生壽命N式中：α和β是材料參數(shù)。缺口銳度小時(shí)，沖擊疲勞裂紋萌生壽命主要取決于材料的強(qiáng)度，以及隨著應(yīng)力集中程度增加時(shí)材料強(qiáng)度與塑性的綜合狀態(tài)。3.2.2材料損傷第二受害者的損傷速率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3.3裂紋擴(kuò)展特性微觀組織對(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4基于沖擊載荷作用的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型沖擊疲勞試驗(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—N式中：β和D是材料常數(shù)。還有一種方法是基于能量分析的方法。Johnson等式中：E有學(xué)者式中：ε將連續(xù)損傷力學(xué)方法結(jié)合有限元應(yīng)力計(jì)算，可以在模擬沖擊載荷施加的過程中對(duì)材料的疲勞損傷進(jìn)行計(jì)算，并考慮損傷場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的相互耦合作用，是一種值得研究的方法。Sun等式中：σ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沖擊疲勞性能描述方法小本文對(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（N(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