金属材料与结构冲击疲劳问题研究综述

杨素淞 白春玉 杨强 胡伟平 詹志新

摘要：航空、航海、枪械及石油开采等领域的一些金属结构件，常常会承受多次冲击载荷，形成冲击疲劳失效。材料与结构在冲击疲劳载荷下的失效特性往往不同于常规疲劳失效，不能沿用常规疲劳试验测试与寿命分析方法进行冲击疲劳性能测试與寿命预估。为了充分认识和了解目前关于金属材料的冲击疲劳特性，以及冲击疲劳试验测试方法和理论分析方法，本文综述了国内外关于金属材料冲击疲劳的研究进展，概述了冲击疲劳试验测试设备及方法、影响材料冲击疲劳性能的主要因素，以及金属材料冲击疲劳寿命的预估方法。

关键词：冲击疲劳；金属材料；疲劳寿命；试验测试；寿命预估

中图分类号：V215.5+2文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.001

基金项目：航空科学基金（20184151017）

工程结构中，有很多部件会受到重复冲击载荷的作用，如舰载机上的拦阻钩[1-4]、机载航炮中的复进簧[5]、石油开采钻头钻杆[6]、低压电器中万能式断路器的双刀轴承等[7-10]，这些结构在重复冲击载荷作用下，导致最终的失效破坏。材料与结构在这种情况的失效称为冲击疲劳失效[11]。与常规的疲劳类似，冲击疲劳问题可以分为低周冲击疲劳与高周冲击疲劳。但在工程实践中，结构承受的冲击载荷通常很大，因此多为低周冲击疲劳问题，之前的几个典型例子都属该类冲击疲劳。一般冲击疲劳载荷按其特点可分为两类：有规律的冲击疲劳载荷和随机冲击疲劳载荷，并且在工程实际中，冲击疲劳载荷往往会与常规疲劳载荷叠加出现。

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[12]。材料在冲击疲劳载荷和非冲击疲劳载荷的条件下，测试得到的疲劳失效特性通常是不同的。对金属材料的研究表明，除了少数情况外，冲击疲劳强度一般低于非冲击疲劳强度[13-14]，并且在某些情况下，并不存在明确的冲击疲劳极限。另外，在冲击疲劳中裂纹扩展速率通常高于非冲击疲劳的情况[15-16]。冲击疲劳载荷以及材料冲击疲劳失效规律的不同特性使得冲击疲劳问题相比于常规疲劳问题更加复杂。例如，在进行试验测试时，需要对冲击过程进行控制，以便进行材料在不同冲击条件下的重复冲击试验。在进行寿命预估时，需要考虑构件的冲击响应，以及疲劳损伤与冲击响应之间的相互作用。正是由于冲击疲劳试验测试方法和材料冲击疲劳性能描述等问题的复杂性，导致目前还没有系统的理论、标准的测试方法，以及丰富的试验数据用于指导受重复冲击构件的材料选择和结构设计。

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冲击疲劳试验方法

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[17]、落锤式[18]、弹簧冲锤式[19-20]以及Hopkinson杆式[14，21]。

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[17]设计的一个冲击疲劳试验机。它通过电机驱动有着两个相距180°销钉的圆盘转动，使摆锤反复摆动撞击试件，从而产生反复冲击载荷，如图1（a）所示。摆锤不直接撞击到试件上，而是撞击到与试件装配在一起的轭上，从而将撞击力传递到试件上，形成拉升冲击载荷，如图1（b）所示。通过改变摆锤的重量（质量），可以改变每次撞击的能量。图2为Sun等[18]针对高强度钢AerMet100在重复高应变率冲击载荷下的超低周疲劳行为，设计了一个三点弯曲冲击疲劳试验，通过不断地将落锤提升到一定高度后释放，从而形成反复的三点弯冲击疲劳载荷。亦可以通过改变落锤的质量及高度来调整每次的冲击能量。

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. Ermakov[19]设计的纯弯冲击疲劳试验机，设备通过一个电动机反复驱动冲头向上移动压缩弹簧，然后释放冲击试件，其冲击频率能达到600次/min。电机同时还驱动试件自身转动，使得其每冲击一次都会转动15°，从而在一定程度上模拟应力比R=-1的冲击疲劳问题。类似的冲击疲劳试验机还可以水平放置，如图4所示，通过凸轮不断地压缩弹簧然后释放从而产生冲击载荷[20，22]。

Hopkinson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的金屬杆，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[21]在研究拉伸冲击疲劳载荷下裂纹扩展特性时使用的试验机，其根据Hopkinson杆设计而来。通过连杆机构，将电机的转动转化为长套管上滑块的来回平动，滑块带动长套管撞击长杆，长杆又将冲击力传到试件上，从而对试件施加拉升冲击疲劳载荷。图5（b）为测量得到的低碳钢试件受到的一次冲击应力。为了增大疲劳试验机的频率，Tanaka等[14]将连杆机构驱动改为液压弹簧驱动，从而将冲击频率从10Hz提升到了20Hz，如图6所示。

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金属材料在冲击疲劳中的变形特点

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单次冲击载荷

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%[14，23-24]。金属材料在拉伸冲击载荷作用下的典型应力特征如图7所示。该应力时间曲线主要由初始拉伸冲击应力、随后较小的压缩应力和相对较小振幅的振荡衰减应力三部分组成[14]。这种高加载速率会导致材料的变形和断裂机制发生变化。由于微观上位错及滑移机制机理的变化，冲击载荷下材料会表现出一些与非冲击载荷作用下不一样的特点。在高应变率下材料会发生强化，屈服强度提高，该现象叫做应变率强化。

2.2冲击疲劳载荷

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[23]。另外，由于在冲击疲劳载荷作用下，中碳钢的动态屈服强度更高[25]（见图8），因此在相同的最大应力强度因子Kmax下，冲击疲劳的裂纹尖端塑性变形区要小于非冲击疲劳[26]时的情况（见图9）。冲击疲劳下的多系统滑移也比非冲击疲劳下更复杂。疲劳裂纹尖端位错密度的测量结果也表明，在相同的Kmax水平下，非冲击疲劳的位错密度大于冲击疲劳的位错密度。这一趋势可以认为是由于非冲击疲劳下易发生多系统滑移所致。

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[18]在研究AERMET100钢的冲击疲劳的过程中，通过测量缺口试件在三点弯曲冲击疲劳载荷下缺口根部的应变发现，缺口根部塑性应变随着冲击次数的增加而增大，但塑性应变增量越来越小，如图10所示。

3金属材料冲击疲劳性能影响因素及疲劳特性分析

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[6]。对于材料的冲击疲劳性能，仍然采用循环加载下的试验测试方法，但是材料冲击疲劳性能的描述方法与常规疲劳不完全相同，主要有两种方法，一种是采用冲击能量（A）与冲击疲劳寿命（Nf）的关系曲线（即A-Nf曲线）表示，另一种采用最大冲击应力（S）与冲击疲劳寿命关系曲线（即S-Nf曲线）来表示。同时，影响材料冲击疲劳性能的因素也与常规疲劳性能有明显区别。

3.1.1影响金属材料冲击疲劳性能的因素

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[27]研究了两种同一类型但具有不同强度和塑性的钢R6M5和R18，其中R6M5的强度比R18的强度大，R18的塑性更好。它们的A-Nf或S-Nf曲线出现了相交。图11为R6M5与R18的A-Nf曲线。从图11可以看出，在其交点右侧，材料的抗冲击疲劳性能主要取决于材料的强度水平（即高强度低塑性材料的冲击疲劳寿命在相同的冲击能量或冲击应力水平下，寿命比低强度高塑性的材料长）。而在交叉点左侧，材料的抗冲击疲劳性能主要随材料塑性的增加而增加。周惠久等[28]在对以前文献进行讨论分析的同时，对多种碳钢及不同热处理条件下的冲击疲劳性能进行了很多试验研究，主要探究了强度及塑性对冲击疲劳寿命的影响。他们的结论是，在交点下方的能量范围内强度高塑性低的材料抵抗多次冲击的能力一定优于强度低而塑性高的材料，并且在此范围内，主要是强度决定材料的抗冲击破坏能力。此外，他们根据对裂纹出现迟早的试验观察，初步认为，材料裂纹萌生的快慢取决于强度因素，而裂纹扩展速度取决于塑性因素。

冲击韧性材料冲击韧性值αk对冲击疲劳性能存在影响，其影响程度与材料的强度有关。对于中低强度合金（强度低于600MPa），冲击韧性值较少影响其抗冲击疲劳性能，但是，对高强度合金（强度大于600MPa），通过提高其冲击韧性值可以明显提高材料的冲击疲劳性能[28]。

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=σmin/σmax，σmin为施加的最小应力，σmax为最大应力）对冲击疲劳寿命有重要影响。在相同的σmax水平下，R=0时冲击疲劳寿命比R=-1时长，且该影响随最大应力的增大而减小。

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-Nf特性与加载时间有关[24]。但参考文献[29]研究了重复冲击载荷下S35C钢轴的扭转疲劳强度，发现高周冲击疲劳时，材料的力学疲劳行为与传统疲劳相似。在低周冲击疲劳时，冲击应力的加载时间会影响冲击疲劳强度。加载时间T越长，光滑试样的冲击疲劳强度越低[24]。需要注意的是，这里的加载时间T属于一般冲击载荷的冲击时间取值范围。加载时间对光滑试样的冲击疲劳寿命Nf的影响可表示为：

大多数光滑件的低周冲击疲劳试验结果符合上述公式[23]。然而，对于缺口试样，某碳钢的冲击疲劳试验表明，加载时间对冲击疲劳寿命的影响与光滑试样的情况相反，即加载时间越长，冲击疲劳寿命越高[31]。这有可能是冲击疲劳载荷下，加载时间越长（代表着加载速率越小，应变率强化效应越弱），缺口根部的塑性变形集中程度越小。并且随着加载时间的增加，塑性变形范围增加，缺口敏感性减小[32]。

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steel U8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））[33]。

3.1.2冲击与非冲击疲劳强度的比较以及冲击疲劳性能改善方法

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[14]，并且冲击疲劳与非冲击疲劳的疲劳极限之差随着硬度的增加而增大（见图13（a））[31]。但对于某些材料，尤其是低强度合金（如Sn-40Pb），在冲击载荷下表现出较好的塑性，不容易出现脆性断裂，此时，它在冲击疲劳下的疲劳强度反而高于常规疲劳的情况（见图13（b））[31]。人们认为这与低强度高韧性材料在冲击疲劳载荷中的累积塑性变形规律有关。值得注意的是，图13（b）显示材料的非冲击疲劳强度也受加载频率的影响，这可能是这种材料具有的独特性能。因为试验表明，大多数金属材料的疲劳强度在该加载频率范围内没有多大的变化，例如，一些钢材在5Hz时的疲劳强度与150Hz时的比较仅有百分之几的差别，但对于频率为1Hz甚至更低频率的情况，还缺少相关研究。

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[34]，图14[35]显示了表面强化对弯曲冲击疲劳载荷下光滑和缺口圆柱形12KhN3A钢试件冲击疲劳寿命的提升作用，圖中1与2为光滑件，3与4为缺口件，虚线为表面强化过的试件，实线则没有表面强化。渗碳对于有应力集中以及没有应力集中的试件的影响不同，对于弯曲冲击疲劳的钢试件，渗碳深度为1.3mm时比渗碳深度为0.5mm时，光滑件的冲击疲劳强度有明显提高，而缺口件的冲击疲劳强度却明显下降[36]。试验表明，降低温度可以提升钢的拉伸冲击疲劳极限[37]。另外，冉刚等[38]通过对比预拉伸试样与无预拉伸试验的冲击能量—冲击疲劳寿命曲线，研究A-100钢单边缺口三点弯曲试样预拉伸后冲击疲劳性能的变化时，发现预拉伸可以延长试样的冲击疲劳萌生寿命，但对裂纹扩展寿命无影响。

3.2金属材料在冲击疲劳下的裂纹萌生与扩展特性

3.2.1裂纹萌生特性

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[23]在研究低碳钢的冲击疲劳问题时发现，缺口试件受冲击疲劳载荷时，裂纹萌生及裂纹扩展寿命都要小于受非冲击疲劳载荷的情况。由于疲劳裂纹的萌生通常认为是塑性变形累积的结果[39]，因此，有理由认为光滑试件和缺口试件的差异是由于光滑试件在冲击疲劳载荷下发生塑性变形较为困难，而缺口试件在冲击疲劳载荷作用下塑性变形集中程度和缺口敏感性较大。相比于非冲击疲劳载荷，冲击疲劳载荷下缺口尖端的裂纹张开率更大，裂纹尖端塑性区更小[21]。加载时间对缺口试件冲击疲劳裂纹萌生寿命的影响规律亦支持上述推测。试验结果表明，缺口试件的冲击疲劳裂纹萌生寿命随加载时间的延长而延长[31]。这一规律被认为是变形集中和缺口敏感性随加载时间的延长而降低的结果。

缺口半径ρ对冲击疲劳裂纹萌生寿命Ni的影响可以表示[26]为：

3.2.2裂纹扩展特性

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[24]。对于较低的ΔK，低碳钢冲击疲劳裂纹扩展速率受加载时间的影响较小，但ΔK较高时冲击疲劳裂纹扩展速率明显受加载时间的影响，加载时间越长，冲击疲劳裂纹扩展速率越高[24]。

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[40]。增加过载比（R0=Pover/Pmax，其中Pover为过载力，Pmax为最大循环力）和过载循环次数，或减小过载冲击速度和基准应力强度因子范围ΔKb，都会增加过载延迟循环次数[41]。冲击疲劳中过载对疲劳裂纹扩展的延迟效应大于非冲击疲劳载荷的情况。

3.3微观组织对金属材料冲击疲劳性能的影响

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[42]。另外，受冲击疲劳载荷时，材料微观组织对疲劳裂纹扩展的影响要大于非冲击疲劳时。但是，当循环塑性区的尺寸与金属材料的特征组织尺寸相当时，微观组织对疲劳裂纹扩展的影响将消失[24]。许多研究都表明，在一定的试验条件下，能够找到一种材料最优的微观组织呈现出最佳抗冲击疲劳性能。

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[43-45]，图15为某硬质合金的冲击疲劳断面。有学者研究了冲击疲劳下高锰钢裂纹萌生、扩展及断裂机理，发现试件缺口处晶粒在交变应力作用下产生了塑性变形诱发的与主应力方向约呈45°的大量滑移线，这些滑移线即成为裂纹源，导致裂纹萌生，在随后的裂纹扩展阶段裂纹继续沿45°滑移线进行，途经各种缺陷时会向缺陷扩展，从而产生了方向改变及分支[46]，图16为钢试件表面观察到的滑移线。

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[43]。

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[47-49]。30CrMnSiNiA钢回火温度在250℃时可获得最大的冲击疲劳寿命，此时，裂纹萌生寿命与抗拉强度处于最佳状态[46]。几种Cr-Ni钢在220～240℃范围内回火时材料的冲击疲劳性能要比在180～200℃范围内更好。在含大量合金元素的淬火合金钢上形成的残余奥氏体对材料冲击性能有一定的影响。例如，Kozyrev等对一种含11.5%Cr的工具钢进行冲击疲劳试验，发现在高应力水平下，残余奥氏体可提高该工具钢的冲击疲劳性能，但在低应力水平下则相反。另外，通过热循环在马氏体时效钢中生成残余奥氏体，可以提高低周冲击疲劳性能，这是由于裂尖的奥氏体转变为铁素体产生了应力松弛所导致。

4冲击疲劳寿命预估方法

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，关于冲击疲劳損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—Nf曲线（单次冲击能量-疲劳寿命曲线）进行冲击疲劳寿命预估。当冲击疲劳试验结果用应变幅值（？εp）与循环寿命（Nf）曲线表示时，疲劳寿命符合Coffin-Manson定律[23，25]：

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[52]将连续损伤力学理论应用于锻锤基础系统的疲劳损伤研究，给出了单次冲击载荷造成的损伤分析模型和多次冲击载荷作用下宏观损伤累积模型，并采用有限元数值解法，根据临界疲劳损伤条件确定了锻锤基础系统的冲击疲劳寿命；邹希等[53]基于损伤力学方法，建立了材料冲击损伤演化方程和参数标定方法，采用该模型计算每一次冲击载荷下材料的冲击损伤，并考虑了冲击响应与材料损伤的耦合效应。不过，冲击疲劳的有限元法分析本身比较复杂，同时分析过程中用到的损伤方程涉及应力应变场与损伤场的耦合作用，导致计算的效率很低[54]。

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结束语

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（Nf）的关系曲线（即A-Nf曲线）表示，另一种采用最大冲击应力（S）与冲击疲劳寿命关系曲线（即S-Nf曲线）来表示。

（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、裂纹扩展特性均存在不同。较大的应变率是造成这些差异的主要原因。与非冲击疲劳应力相比，冲击疲劳应力的作用时间非常短，仅为非冲击疲劳的0.1%～1%。

（3）影响材料冲击疲劳性能的因素较多，包括材料的强度、塑性、冲击韧性、微观组织、应力水平、缺口效应、冲击时间、冲击应力特征等。并且在不同情况下，这些因素的影响规律不相同。

（4）目前对于材料与结构的冲击疲劳损伤模型和寿命预估方法尚不多见，也远未成熟。比较基础的方法是基于材料冲击疲劳试验的S-N曲线或A-Nf曲线（单次冲击能量-疲劳寿命曲线）进行冲击疲劳寿命预估。其他方法还有待继续完善发展。

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作者简介

杨素淞（1995-）男，硕士，博士研究生。主要研究方向：连续损伤力学、疲劳损伤。

Tel：18869834506

E-mail：yangsusong2018@163.com

白春玉（1984-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：结构冲击动力学。

Tel：029-88268610

E-mail：baichunyu2006@163.com

杨强（1987-）男，硕士，工程师。主要研究方向：结构冲击动力学。

Tel：029-88268287

E-mail：yqiang1230@163.com

胡伟平（1975-）男，博士，副教授。主要研究方向：损伤力学、材料疲劳。

Tel：13161649175E-mail：huweiping@buaa.edu.cn

詹志新（1988-）男，博士，副教授。主要研究方向：损伤力学、材料疲劳。

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