鋼鐵材料沖擊疲勞行為綜述

張遙輝

（南京航空航天大學航空學院飛行器設計專業，江蘇 南京 210016）

1 概述

工程機械結構件在重復沖擊載荷作用下，可能因損傷的累積引起裂紋萌生、擴展直至斷裂，這樣的過程稱為沖擊疲勞。有關結構在循環沖擊載荷下疲勞行為的研究，目前尚未建立起完整的理論體系，而鋼鐵材料作為機械工程領域最常用的材料，研究其沖擊疲勞失效行為以及壽命預測方法，對鋼材的合理選擇和制定相關的熱處理工藝具有重要意義。

有關沖擊疲勞的研究始于20世紀初。Standon等首先對九種不同成分的鋼進行了連續沖擊彎曲試驗，研究了沖擊破斷次數與材料成分的關系，發現材料在大能量低周沖擊下，破斷能量與材料的沖擊韌度有關；在小能量高周沖擊下能量則大致正比于材料疲勞極限。McAdam隨后也對幾種鋼材進行了循環沖擊彎曲試驗，驗證了Standon的結論，提出了類似于常規疲勞極限的“沖擊耐久性極限”的概念。Layland研究了循環沖擊載荷下15種結構鋼的疲勞失效行為，并繪制了每種材料的沖擊能量A與壽命N的關系曲線。20世紀70～80年代，幾位日本學者進行了大量試驗，Iguchi測定了循環沖擊下S20C鋼的應力應變滯后環與應力波，討論了缺口、應力比對σmax-N曲線的影響；Tanaka等自制沖擊疲勞試驗機，在室溫及-50℃、-100℃低溫條件下對低、中碳鋼等材料進行了一系列沖擊疲勞試驗，獲得了大量試驗數據。在國內，周惠久等最先開展了沖擊疲勞的研究工作，就材料化學成分、熱處理、表面處理及試件的缺口效應、尺寸效應對沖擊疲勞性能的影響進行了系統性探討，取得了很多成果。

早期有關沖擊疲勞的研究主要集中于總結材料在循環沖擊載荷下的破斷規律，尋找沖擊疲勞與靜疲勞的相關性，人們普遍認為，材料的沖擊疲勞性能可以大致用靜疲勞性能來表征。隨著試驗手段的進步，近年來，有關材料沖擊疲勞的研究有了一些新進展。本文對當前國內外有關鋼鐵材料沖擊疲勞行為的研究進行了綜述，分析了疲勞過程中裂紋的萌生與擴展機制，討論了影響材料沖擊疲勞性能的主要因素，并總結了相關的沖擊疲勞壽命估算模型，對今后沖擊疲勞研究應當解決的問題進行了展望。

2 鋼鐵材料沖擊疲勞失效行為

2．1 裂紋萌生與擴展行為

材料的疲勞失效過程由裂紋萌生與擴展兩部分組成，其中裂紋萌生在總失效過程中占有很大比重，沖擊疲勞也大致遵循相關規律。

鄭修麟等觀察了幾種鋼材在沖擊疲勞下的裂紋萌生行為，發現在裂尖塑性區內，馬氏體或貝氏體板條間的相對滑動量過大時將會通過應變積累形成微裂紋，隨后相互連接并長大，形成了宏觀裂紋。

王振明等研究了沖擊疲勞下高錳鋼裂紋萌生、擴展及斷裂機理，發現試件缺口處晶粒在交變應力作用下產生了塑變誘發大量滑移線，與主應力軸約呈45°角，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沿45°滑移線進行，途經各種缺陷時會向缺陷擴展，從而產生了方向改變及分支。

張萌觀察了低碳鋼在沖擊疲勞循環形變階段的微觀特征，發現滑移是低碳鋼在低周沖擊疲勞載荷下循環變形的主要表現形式。滑移線往往貫穿著整個晶界或連續穿越晶界，隨著疲勞周次的增加，滑移線從平直轉向彎曲，產生了一種呈魚脊狀排列的滑移線窄帶，如圖1所示。

圖1 10鋼試件表面沖擊疲勞滑移形貌

以上研究表明，材料在交變載荷作用損傷首先表現為微觀的塑性形變，而滑移線是塑性形變在試件表面的可見特征，沖擊載荷下的高應變速率會讓材料中的形變過程表現得更加典型，沖擊疲勞下材料的裂紋萌生行為與常規疲勞類似，且顯微組織對于裂紋的萌生與擴展行為有著較大的影響。

2．2 與常規疲勞的對比

與一般疲勞載荷不同，循環沖擊載荷下材料內部應力以波的形式高速傳播，在遇到界面或截面尺寸改變時將發生反射、疊加等現象形成復雜的應力應變狀態，對壽命產生重大影響。循環沖擊載荷與一般的疲勞載荷相比，每次載荷作用有效時間很短，加載速率很高，材料的應力應變不均勻性要比非沖擊疲勞載荷下大。

Iguchi觀察了S20C鋼光滑圓棒件與缺口板件的沖擊疲勞和常規疲勞裂紋萌生過程，結果表明，光滑件的沖擊疲勞裂紋萌生期高于常規疲勞，而有缺口時，則小于常規疲勞。由于光滑件在沖擊疲勞下塑變滑移較常規疲勞困難，而材料塑變累積損傷是裂紋萌生的主要因素，因此，裂紋萌生在沖擊疲勞下較難，體現為光滑試件的裂紋萌生期高于常規疲勞。在相同名義載荷下、沖擊疲勞載荷下的試件缺口根部塑變區尺寸較常規疲勞下的小，因而沖擊疲勞下的缺口敏感度較大，且由于沖擊載荷導致材料的滑移變形更不均勻，集中在缺口根部某個微區內，導致缺口件在沖擊疲勞下的裂紋萌生期小于常規疲勞。

于杰總結了沖擊疲勞與常規疲勞下裂紋擴展的相關規律，在相同應力強度因子幅ΔK下，沖擊疲勞與常規疲勞裂紋擴展速率與微觀斷裂機制的關系如表1所示。

當裂紋擴展形式皆為韌性斷裂，材料屈服強度較高時，裂紋擴展遵循再生成核機制，即主裂紋前端區域由于塑變損傷累積產生許多微裂紋，在隨后的循環應力作用下微裂紋不斷長大，最后，與主裂紋連接而導致宏觀裂紋。因相同條件下常規疲勞的裂尖塑變程度及區域都比沖擊疲勞下的大，所以，材料在沖擊疲勞下的裂紋擴展速率比常規疲勞低。

當材料屈服強度較低時，在韌性斷裂條件下，裂尖塑變在兩種疲勞載荷下都易進行，裂尖塑變區都較大，裂紋擴展遵循裂尖鈍化-復銳機制。兩種疲勞載荷下裂紋擴展過程中，裂尖均能通過塑性滑移充分鈍化，因此，裂紋擴展速率基本相同。

表1 裂紋擴展速率與微觀斷裂機制的關系

當材料在沖擊疲勞下為脆性斷裂(沿晶、解理)，而在常規疲勞下為韌性斷裂或混合型(脆性+韌性斷裂)時，沖擊疲勞的裂紋擴展速率高于常規疲勞。這是因為，脆性斷裂下裂紋擴展所消耗能量遠小于韌性斷裂，且裂紋擴展阻力小于韌性斷裂的緣故。

3 影響鋼鐵材料沖擊疲勞性能的因素

通常，影響材料靜疲勞性能的因素也會影響其沖擊疲勞性能，但影響的程度有所差別，以下將分別介紹載荷特性、環境溫度、熱處理方式等因素對鋼鐵材料沖擊疲勞性能的影響。

3．1 載荷特性

載荷對鋼鐵材料沖擊疲勞壽命的影響，主要表現在載荷大小以及加載方式。

北浦堅一研究了平均應力對低碳鋼沖擊疲勞強度的影響，對SS41鋼光滑與和缺口件在不同應力比下進行沖擊疲勞和常規疲勞試驗，其中缺口件的應力幅值-壽命結果如圖2所示。

結果表明，沖擊疲勞與常規疲勞的應力幅值-壽命曲線在雙對數坐標圖上均呈現出較好的線性關系，沖擊疲勞壽命在改變應力比的情況下的變化得比常規疲勞更為明顯，尤其是在應力幅值較高時。

張鎮生等對40Cr和20CrMnTi鋼圓棒件進行沖擊彎曲疲勞試驗，分別采用了三點彎曲和四點彎曲沖擊的加載方式，測定的試驗結果如圖3所示，四點彎曲加載條件下材料的疲勞壽命顯著高于三點彎曲加載，且當兩種加載方式下試件的最大應力接近時，試件的疲勞壽命也近似一致。

以上研究表明，沖擊疲勞下材料的壽命較常規疲勞顯著下降，且相同能量下四點彎曲加載的壽命顯著高于三點彎曲。

3．2 缺口效應

沖擊載荷的特性導致能量的消耗主要集中在構件的薄弱環節，因此，缺口的存在會導致構件的沖擊疲勞壽命大大下降，構件在沖擊疲勞載荷下的缺口敏感度更大，承受沖擊載荷的零構件設計若采用非沖擊疲勞的缺口應力集中系數為依據，可能會導致零構件過早失效。

文獻對不同缺口尺寸的40鋼試件進行了沖擊疲勞試驗，結果如圖4所示。

可以看出，在試件帶缺口的情況下沖擊疲勞壽命將顯著下降。對材料在不同應力集中系數Kt下的沖擊疲勞性能的研究表明：在無缺口或鈍缺口情況下，沖擊疲勞強度對材料的塑性要求較低，而在尖缺口乃至裂紋的高應力集中情況下要求較高。

圖2 SS41鋼缺口件沖擊疲勞與常規疲勞應力幅值-壽命曲線

圖3 40Cr與20CrMnTi兩種加載方式下沖擊能量與壽命曲線

圖4 40鋼試件不同缺口尺寸下的沖擊疲勞壽命

胡光立等進行了300M鋼缺口件的沖擊疲勞試驗，結果表明，應力集中程度的增加會導致試件壽命急劇下降，且與常規疲勞相比，下降趨勢會更加明顯，體現出沖擊疲勞更敏感的缺口效應。

綜合以上研究，我們對沖擊疲勞下材料更加敏感的缺口效應引起重視，工程應用中承受沖擊的結構件應盡可能地避免缺口存在。

3．3 環境溫度

有關環境溫度對鋼鐵材料沖擊疲勞性能的影響，也有學者展開了研究。Yarema等對30CrMnSiNiA鋼在室溫以及-120℃下的沖擊疲勞性能進行了試驗對比，發現鋼的整體耐久性隨溫度降低而提高，且隨著溫度的降低裂紋萌生的時間增加，但裂紋擴展的時間減少。Akizono等對一種Cr-Mo合金鋼進行沖擊疲勞試驗，發現從室溫降低到-150℃過程中，沿晶開裂和解理開裂的失效形式越來越普遍，裂紋擴展速率加快。Matsumure等研究了碳含量分別為0.39%和0.63%的普通碳鋼在室溫和-30℃下的沖擊疲勞性能，兩種鋼在室溫下的沖擊疲勞壽命均比常規疲勞短，裂紋擴展速率也更高。含碳量較低的鋼在-30℃時發生解理，但在室溫下沒有；含碳量較高的鋼在兩種溫度下都能觀察到解理現象。沖擊疲勞試件斷口下，塑性區深度僅為常規疲勞的1/3左右。

3．4 熱處理方式

目前，有關熱處理方式對鋼鐵材料沖擊疲勞性能影響的研究，主要集中在淬火和回火溫度上。

劉福祥等研究了熱處理工藝對W6Mo5Cr4V工具鋼沖擊疲勞性能的影響規律，采用了Ф10mm×100mm的光滑試件，分別在不同淬火溫度和回火溫度下進行試驗。材料的壽命與淬火溫度及回火溫度的變化規律如圖5所示。

結果顯示，三種能量下疲勞壽命都隨淬火溫度的升高而降低，且低能量的壽命變化幅度大于高能量。淬火溫度的升高會減弱材料的微區塑性變形能力，降低材料的沖擊疲勞性能，由于微區塑變引起的應力松馳效應對不同沖擊能量的緩解作用不同，對低能量的緩解作用必然要大于高能量，即對壽命的影響隨能量的增大而減小，使得低能量下的疲勞壽命的變化幅度大于高能量。

右圖三種能量下疲勞壽命的峰值均出現在500～560℃段內，該回火溫度恰好是W6Mo5Cr4V2鋼的二次硬化溫度。隨著回火溫度的升高，內應力減小且碳化物彌散析出增多，彌散強化作用增強，能夠阻止微裂紋的擴展，增強材料沖擊疲勞性能，在二次硬化時達到峰值，此后，再提高回火溫度會因碳化物的聚集降低疲勞性能。

圖5 沖擊疲勞壽命與淬火、回火溫度的關系

Yarema等在研究30CrMnSiNiA鋼不同回火溫度下沖擊疲勞性能時發現，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也會處于最佳狀態。Molchanov等也在對幾種Cr-Ni鋼的研究中發現，在220～240℃范圍內回火時材料的沖擊疲勞性能要比在180～200℃范圍內更好，這一結果與Yarema的結論相符。

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。Kozyrev等對一種含11.5%Cr的工具鋼進行沖擊疲勞試驗，發現在高應力水平下，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。Pestov等通過熱循環在馬氏體時效鋼中生成殘余奧氏體，提高了低周沖擊疲勞性能，這是裂尖的奧氏體轉變為鐵素體產生了應力松弛導致的。

以上研究表明，熱處理方式會對鋼鐵材料的沖擊疲勞性能產生較大影響，針對不同成分的鋼材，需要通過試驗以獲得最佳性能。

4 鋼鐵材料沖擊疲勞壽命估算方法

當前，有關沖擊疲勞的壽命分析方法還沒有完善的理論框架，國內外針對循環沖擊載荷下的材料的損傷累積與失效規律的研究，采用的方法主要有能量法與應力法，隨著損傷力學與有限元技術的發展，一些新的方法也被應用于沖擊疲勞壽命估算中。

4．1 能量法

能量法通過測定沖擊能量A與材料破斷循環數N之間的關系曲線（即A-N曲線）來評定材料的沖擊疲勞性能，從而為壽命估算提供參考。圖6為A-N曲線的示意圖，其中A0為沖擊疲勞極限能量，Ak為一次沖擊下材料即破壞的能量值，且Ak=ak·F，其中ak為材料的沖擊韌性，F為破壞位置橫截面積。

圖6 材料的A-N曲線示意圖

針對沖擊疲勞試驗尚未標準化的現狀，許多研究者為了能將沖擊疲勞問題進行定量化研究，對材料的A-N曲線采用了經驗公式擬合。A.A.Johnson等基于Standon和Bairstow的試驗數據，對八種不同成分的珠光體鋼的沖擊疲勞壽命進行了統計，發現當壽命Nf在1000～50000次時，與沖擊能量A可以擬合為以下形式的三參數經驗公式：

其中，A0可代表沖擊疲勞極限，Ai為沖擊疲勞參數，p為沖擊疲勞指數，其值可取為0.6。在大能量低周沖擊的情況下，沖擊能量與壽命又可擬合為：

其中，q為低周沖擊疲勞指數，與鋼材中碳含量有關，系數m與q存在關系：

其中C與D為常數，通過擬合試驗數據分別為0.128與0.075，聯立式（2）、（3）可得：

采用能量表征沖擊疲勞壽命的方法雖然直觀，但卻有很大的局限性，對于某一特定材料的試件，在某一沖擊循環次數下斷裂的能量大小與試件幾何因素及載荷情況等試驗條件有關，以A-N曲線表征材料沖擊疲勞性能，只能作為一種條件性的相對比較，曲線中的沖擊疲勞極限，也無法直接作為材料的疲勞性能指標，所以其結果無法直接應用于機械產品零件的設計和強度分析的定量計算。

4．2 應力法

應力法以結構在沖擊載荷下的峰值應力σmax與破斷循環數N之間的關系曲線（即σ-N曲線）來表征，將循環沖擊載荷作用下的研究成果與規律用于結構強度的分析與設計，便于與一般載荷下的疲勞損傷強度理論相比較，借以充實沖擊疲勞損傷的強度設計方法。

文獻的試驗數據表明，針對缺口試件，當沖擊疲勞試驗結果用缺口危險點處塑變范圍Δεp與循環壽命N表示時，二者間的關系符合Manson-Coffin定律：

其中，εf是疲勞延性系數，c為疲勞延性指數。基于這個規律，鄒遠鵬等采用局部應力應變法對結構沖擊疲勞壽命進行估算。假定試件缺口根部作為疲勞裂紋的起始，且由假想單軸疲勞元的斷裂所引起，如圖7所示，若疲勞元具有與光滑試件相同的應力應變歷程，則光滑試件的疲勞壽命可認為與缺口試件一致。

圖7 沖擊彎曲疲勞試件缺口根部塑性區及假想單軸疲勞元示意圖

由此導出的壽命估算表達式為：

式中，ΔS為試件所受的名義應力幅，Kf為疲勞缺口系數，n為形變硬化指數，σf為疲勞強度系數。

由于該式并未考慮沖擊能量對試件應變速率的影響，需要引入一補償因子v：

A為沖擊能量，A0為試驗的最小能量，則考慮應變速率影響后的壽命估算表達式為：

對于40CrNiMoSi鋼缺口件，估算壽命曲線與試驗結果如圖8所示，取得了較好的預測結果。

圖8 40CrNiMoSi鋼缺口件估算壽命與試驗結果

4．3 損傷力學法

Lemaitre等建立的損傷力學方法通過引入損傷度的宏觀概念來表征材料力學性能在疲勞載荷作用下的劣化過程，為研究疲勞裂紋的萌生提供了新途徑。損傷力學理論認為，材料在循環載荷作用時，其應力應變場與損傷場耦合使得損傷場不斷隨載荷循環而發生演化，結合損傷力學理論與有限元方法來分析損傷場與應力應變場的耦合作用，對于工程實際有著很大的應用價值。Lemaitre基于連續介質熱力學導出的三維各向同性塑性損傷演化方程為：

其中，S與c為材料參數，Y為損傷應變能釋放率，p為累積塑性應變率，且

式中，σeq為等效應力，Rv為應力三軸度，σm為靜水應力，v為材料泊松比。

基于上述理論，文獻[27]根據超低周沖擊疲勞試驗結果，提出了多軸應力狀態下的超高周沖擊疲勞壽命預測的平均損傷模型：

該模型在Lemaitre損傷演化方程的基礎上引入了一個指數項b，對沖擊疲勞過程中非均勻的累積塑性應變率進行了平均，從而可以只使用第一次沖擊的塑性應變數據進行壽命估算。式中的參數S、c、b、K可以通過沖擊疲勞試驗的壽命數據進行擬合得到，σeq與則可由有限元仿真計算得到。此法對AerMet100鋼缺口件沖擊疲勞壽命的預測結果如表2所示。

表2 不同沖擊能量下預測壽命與試驗數據的比較

從預測結果看，該模型能夠較好地預測構件的超低周沖擊疲勞壽命。

4．4 總結

以能量法對材料的沖擊疲勞壽命進行估算，一般是基于試驗結果采用唯象經驗公式對A-N曲線進行擬合，而應力法主要關心材料在沖擊載荷下應力應變響應的峰值狀態，主要基于疲勞危險點處的局部應力應變對結構的壽命進行分析。從應用前景上看，應力法可適用于不同的構件外形，而能量法則缺乏理論基礎，需要大量的試驗數據，且僅適用特定外形的結構。基于損傷力學理論發展的沖擊疲勞壽命估算方法則充分考慮了材料在循環載荷下的性能劣化過程，借助不斷完善的有限元技術，為結構在循環沖擊載荷下的壽命分析提供了新的手段。

5 結論與展望

沖擊疲勞是工程領域中不可忽視的一種結構失效形式，在經濟社會不斷發展的背景下，眾多機械零部件的設計面臨著越來越高的性能需求，認識材料在循環沖擊載荷下的失效和斷裂機理，掌握各種條件下材料沖擊疲勞行為的規律，有利于提出改善材料沖擊疲勞性能的措施，對于使用范圍廣泛、品種繁多的鋼鐵材料而言，更值得去開展相關的研究。

鋼鐵材料在沖擊疲勞載荷下的失效行為，與常規疲勞有一定的相似性，但也有一些新的特點，如應力應變響應狀態更加復雜、對缺口的敏感度更大、在大載荷下更易發生脆性斷裂等等。目前，盡管許多學者對于各種鋼鐵材料的沖擊疲勞行為已有不少研究，但是，大多依然停留在試驗層面，還尚未能構建出能夠廣泛應用的損傷累積理論與壽命估算模型。由于尚未有相關的沖擊疲勞試驗標準，研究者往往只能自行設計試驗，在試驗條件各不相同的情況下，這些試驗數據相互之間難以進行分析比較，因此，對于沖擊疲勞的研究尚處于初級階段。隨著計算機技術的發展以及有限元分析軟件的完善，結構在沖擊載荷下的響應分析的手段越來越豐富，借助于仿真模擬結構在沖擊下的響應歷程，為構建理論模型提供依據，這是沖擊疲勞研究的一個方向。