【冲击疲劳(Ⅱ)】
拼译：iimpact fatigue
工程中许多机器零构件的失效是由于冲击疲劳(多次冲击)载荷所引起的，典型的如凿岩机活塞、钎杆，模锻锤锤杆等。此外，交通运输、钻探、宇航等工业中的一些零部件的失效也和冲击疲劳载荷密切有关。但因种种原因，材料和构件在冲击疲劳载荷作用下的变形及断裂行为的研究还较欠缺，尚没有系统的理论及数据用于指导承受这类载荷作用的零构件设计、选材及工艺制订。因此研究材料及构件在冲击载荷下的行为具有重要的理论和实际意义。
1908年冲击疲劳研究开始进行，斯坦顿(T．E．Stanton)等用碳钢首次进行了冲击弯曲疲劳试验。1958年，周惠久等展开了金属材料在冲击疲劳载荷下断裂抗力的研究，总结出一些影响冲击疲劳破断寿命的宏观规律。研究表明冲击疲劳试验有别于一次摆锤冲击试验，两者的加载方式不同，被冲击体的应力应变状态不同，导致材料损坏的原因和过程亦不同。外在因素和内在因素对两种失效抗力的影响不同，材料成份和组织状态对两种失效抗力的影响常呈相反的变化规律。一般地，一冲抗力取决于材料的塑性，而冲击疲劳抗力取决于材料的强度，即使在一定的低温条件下，材料的冲击疲劳抗力仍是一个以强度为主而要求一定塑性、韧性相配合的失效抗力指标。这些研究成果为解除工程界在选材用材上对冲击韧度的迷信提供了实验和理论依据，许多机器零构件的设计和选材在冲击疲劳试验规律的指导下收到了减轻重量、延长寿命和节约材料的效果。冲击疲劳的研究过去多基于对材料A-N曲线(冲击能量－破断周次曲线)的分析，不同材料的塑性(或冲击韧性)比值大小与强度比值大小相反时，其A-N曲线产生交点，根据交点的位置及冲击能量大小来判断材料冲击疲劳抗力的大小。这种方法存在一些缺点：首先，A-N曲线的力学意义不清楚，相同冲击能量下，试样的几何形状，尺寸不同或其它条件不同，试样所承受的最大冲击力不同，断裂周次也不同；其次，A-N曲线表征的冲击疲劳抗力，只是在一定试验条件下的条件性相对比较，不能用于机械零构件的强度设计和分析的定量计算；第三，冲击疲劳试验结果用A-N曲线表征，无法与用应力或应变表示的其它疲劳试验结果比较，因此对冲击疲劳试验地位的评价仍是一个悬而未结的问题。60年代后，在冲击疲劳研究中广泛采用了动态应力应变测试技术，结合断裂力学，断口分析等学科的研究方法及成果，研究材料或构件在冲击疲劳载荷下变形及断裂行为。已有的研究结果表明：材料在冲击疲劳载荷作用下的破坏过程也是循环载荷作用下的裂纹萌生、扩展和最后断裂过程。材料在冲击、非冲击疲劳两种载荷制度下的行为存在许多相同、类似之处，冲击疲劳试验结果用ε(应变)～N(寿命)曲线表示时，符合Coffin-Manson规律：
；裂纹扩展速率da／dN与应力强度因子幅ΔK的关系均可表示为Paris公式的形式：da／dN=C(ΔK)m。断口分析指出，冲击疲劳的宏微观断口形貌特征和非冲击疲劳的相近，根据材料本身的强度水平，塑性、韧性的高低以及应力强度因子和试验温度等情况，可出现条纹、解理、准解理、晶间断、韧窝、轮胎压痕、二次裂纹及其混合特征，不出现新的特征和机制，仅是程度的不同，相同条件下冲击疲劳断口上的脆性断裂特征往往较多。对一些高分子复合材料的研究指出，复合材料在冲击疲劳载荷作用下的断裂机理为纤维断裂，纤维／基体脱粘和基体形成微裂纹，而低周疲劳的失效机理主要为层状裂纹聚合而导致最终失效，体现出材料在冲击、非冲击疲劳试验条件下的差异。事实上，冲击疲劳载荷与非冲击疲劳载荷相比有其独特的性质，冲击载荷特性导致应力应变在材料内部以波的形式高速传播，在遇到界面或截面尺寸变化处将产生波的反射、叠加等现象，形成很复杂的应力应变状态，对承受循环冲击载荷作用的零构件寿命产生重大影响。冲击塑性波的近距离传播特点，导致相同冲击能量下，随试样工作部位远离冲击接触点(加载点)，试样的寿命提高。冲击应力波的影响，使得冲击和非冲击疲劳载荷的体积效应常呈相反的规律，理论和实验都指出：在相同冲击能量下，随试样工作部分长度(截面尺寸最小部分)的增加，最大冲击应力减小，冲击寿命大大延长。冲击疲劳的位置效应和体积效应对工程零构件的设计具有实际指导作用。冲击疲劳载荷的高速加载作用，使得材料的冲击疲劳裂尖塑变区尺寸较非冲击疲劳的小，塑性变形的多系滑移机制难于进行。无缺口试样的冲击疲劳裂纹萌生期高于非冲击疲劳的裂纹萌生期，但缺口试样的冲击疲劳裂纹萌生期低于非冲击疲劳的裂纹萌生期。缺口半径ρ对冲击疲劳裂纹萌生期Ni的影响可表达为：
。缺口的存在导致材料的冲击疲劳寿命大大降低，在缺口尖锐度不大时，冲击疲劳裂纹萌生期主要取决于材料强度，随应力集中程度的增加，存在一最佳强塑配合。过载对冲击疲劳裂纹扩展的延迟效应大于非冲击疲劳的。疲劳裂纹扩展的研究指出相同应力强度因子幅ΔK条件下，同一组织材料的冲击、非冲击疲劳裂纹扩展速率之间存在3种可能关系：(da／dN)冲＜(da／dN)疲；(da／dN)冲≈(da／dN)疲或(da／dN)冲＞(da／dN)疲，它们与裂纹扩展的微观机制紧密相联，随冲击速度提高，材料脆化倾向增大，产生第三种关系的趋势也越来越大，低温、回火脆等导致材料脆化的因素也易引起第三种类型的关系出现。在一定强度、塑性配合下，冲击疲劳裂纹扩展速度最慢，随冲击应力强度因子增加，获得极小裂纹扩展速率的最佳强塑配合向高温回火方向转移。材料的组织状态对冲击疲劳裂纹扩展的影响较非冲击疲劳的大，这与两种载荷制度下材料的断裂机制和裂尖塑性变形密切有关。与非冲击疲劳相比，冲击疲劳载荷下要获得最高寿命，必须牺牲材料强度，增加材料的塑性。由于冲击疲劳试验的独特性质及日益增多的冲击疲劳失效事件，材料及构件的冲击疲劳研究将日益引起人们的注意，今后的研究可能集中在以下几个方面：(1)研究不同形状、尺寸等的试样对冲击疲劳载荷的应力应变响应，总结归纳出相应的规律及理论，为承受冲击载荷的复杂零构件的实际应力分析计算提供依据和指导；(2)针对具体零构件的服役条件进行模拟冲击疲劳试验，为选材用材的最优化提供理论和实验依据；(3)展开新材料，如工程塑料、复合材料等的冲击疲劳研究，深入研究材料在冲击疲劳载荷下的变形、断裂规律及机理，探讨各种因素及其综合作用对冲击疲劳抗力的影响，为承受循环冲击载荷的零构件设计、选材提供参考。【参考文献】：1 周惠久，等．机械工程学报，1962，10(1)，12 西安交通大学强度研究所，西安交通大学学报，(金属材料及强度专辑Ⅱ)，1972，1～313 Iquch H，et al．Fatigue of Engineering Materials and Structure，1979，2：1654 Murakami R，et al．Fatique of Engineering Materials and Structure，1980，3(4)：3575 张镇生，等．西安交通大学学报，1981，15(6)：996 胡志忠，等．西安交通大学学报，1982，16(5)：717 Hi deaki Nakayama，et al．，Bulletin of the JSME，1983；26(219)：14538 周惠久，等．西安交通大学学报，(金属材料及强度专辑V)，1989，19 于杰，等．机械工程学报，1990，26(2)：1410 于杰，等．理论检验(物理分册)，1990，26(3)：38(贵州工业大学于杰教授撰)