金屬材料與結(jié)構(gòu)沖擊疲勞問(wèn)題研究綜述

喬明輝 安友鵬

【摘 要】經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步推動(dòng)了我國(guó)綜合國(guó)力的提升，工程結(jié)構(gòu)中，有很多部件會(huì)受到重復(fù)沖擊載荷的作用，如艦載機(jī)上的攔阻鉤、機(jī)載航炮中的復(fù)進(jìn)簧、石油開(kāi)采鉆頭鉆桿、低壓電器中萬(wàn)能式斷路器的雙刀軸承等，這些結(jié)構(gòu)在重復(fù)沖擊載荷作用下，導(dǎo)致最終的失效破壞。材料與結(jié)構(gòu)在這種情況的失效稱(chēng)為沖擊疲勞失效。與常規(guī)的疲勞類(lèi)似，沖擊疲勞問(wèn)題可以分為低周沖擊疲勞與高周沖擊疲勞。一般沖擊疲勞載荷按其特點(diǎn)可分為兩類(lèi)：有規(guī)律的沖擊疲勞載荷和隨機(jī)沖擊疲勞載荷，并且在工程實(shí)際中，沖擊疲勞載荷往往會(huì)與常規(guī)疲勞載荷疊加出現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】金屬材料;結(jié)構(gòu)沖擊;疲勞問(wèn)題

引言

傳統(tǒng)的冷擠壓、噴丸等表面強(qiáng)化技術(shù)只能在材料表面形成最深75～250μm的硬化層，不能保證表面粗糙度和尺寸精度，無(wú)法滿足新一代抗疲勞性能制造的要求。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，通過(guò)短脈沖、高峰值功率密度的激光作用在金屬表面產(chǎn)生高達(dá)數(shù)GPa高壓沖擊波，使材料產(chǎn)生大于107s-1的超高應(yīng)變率的塑性變形，可引入更深的殘余壓應(yīng)力層并在表層產(chǎn)生位錯(cuò)滑移和晶粒細(xì)化，有效地抑制裂紋萌生和擴(kuò)展，從而提高零件的抗疲勞、抗磨損、抗應(yīng)力腐蝕等性能。這為提高結(jié)構(gòu)件抗疲勞性能提供了一種新的解決方法。

1沖擊疲勞試驗(yàn)方法

沖擊韌性測(cè)試時(shí)通過(guò)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(méi)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(wèn)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(méi)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(lèi)：擺錘式、落錘式、彈簧沖錘式以及Hopkinson桿式。擺錘式及落錘式由于僅通過(guò)重力加速來(lái)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。

2激光沖擊強(qiáng)化對(duì)疲勞性能的影響

激光功率密度對(duì)強(qiáng)化后試樣表面顯微硬度、粗糙度、殘余應(yīng)力影響比較大。當(dāng)激光功率密度為7.28GW/cm2、沖擊3次時(shí)，可以獲得較大的表面顯微硬度和殘余壓應(yīng)力，同時(shí)表面粗糙度小于原始磨削表面。但較大的殘余壓應(yīng)力必然會(huì)導(dǎo)致試樣表面塑性變形嚴(yán)重，造成應(yīng)力集中可能會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋，降低疲勞壽命。殘余應(yīng)力和疲勞性能并非完全對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)殘余應(yīng)力增大到一定程度時(shí)，其疲勞壽命可能會(huì)降低。因此，從疲勞的角度分析，采用小能量多次沖擊，可以獲得更為均勻的強(qiáng)化層和較低的表面粗糙度，達(dá)到延壽的目的。激光沖擊強(qiáng)化后表面殘余壓應(yīng)力和顯微硬度大幅提升是疲勞性能得以提高的主要原因。金屬材料表面殘余壓應(yīng)力的存在將使裂紋的門(mén)檻應(yīng)力強(qiáng)度因子提高，裂紋源不容易擴(kuò)展成裂紋，降低疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。較深的硬度影響層深度對(duì)于延長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展壽命有利，將減小裂紋的擴(kuò)展速率。同時(shí)，激光沖擊強(qiáng)化可以使表層晶粒細(xì)化，這可以提高滑移變形抗力，抑制循環(huán)滑移帶的形成和開(kāi)裂，增加裂紋擴(kuò)展的晶界阻力。

3 Fe3O4/金屬-有機(jī)框架復(fù)合材料合成及應(yīng)用

金屬-有機(jī)框架材料，又被稱(chēng)為多孔配位聚合物，是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的骨架材料，由金屬離子或團(tuán)簇與有機(jī)配體通過(guò)配位鍵結(jié)合而形成。MOFs材料由于其結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性和高度周期性以及高孔隙率、大比表面積等微觀特性而成為材料學(xué)科的重要研究課題。組成MOFs材料的金屬離子和有機(jī)配體種類(lèi)十分豐富，通過(guò)選擇不同的金屬中心、有機(jī)配體和合成方法，可以設(shè)計(jì)合成具有不同結(jié)構(gòu)和精確孔徑的MOFs材料，使其獲得相應(yīng)的理化性能，滿足生產(chǎn)應(yīng)用的需要。目前，國(guó)內(nèi)外已有大量將MOFs材料應(yīng)用于光催化、傳感、環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域的研究報(bào)道。然而，單一MOFs材料仍普遍存在一些問(wèn)題，這些問(wèn)題在一定程度上限制了其應(yīng)用潛力的發(fā)揮。首先，一些MOFs材料化學(xué)穩(wěn)定性差，在酸性或潮濕條件下框架容易塌陷;其次，常規(guī)方法合成的MOFs為粉末狀態(tài)，機(jī)械強(qiáng)度弱。有報(bào)道提出將MOFs與一系列功能材料結(jié)合，既可以保留MOFs材料的優(yōu)良性能，又能改善其缺點(diǎn)。目前，常把MOFs與量子點(diǎn)、金屬納米顆粒、石墨烯、多孔二氧化硅納米球或磁性納米粒子等功能材料結(jié)合。其中，由MNPs和MOFs材料結(jié)合而成的磁性框架復(fù)合材料賦予MOFs材料易分離、可定位的特性，引起許多學(xué)者的關(guān)注。與單一MOFs材料相較，MFCs材料具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）MFCs表現(xiàn)出增強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性;（2）MFCs材料通過(guò)外加磁場(chǎng)定向移動(dòng)，可以輕松實(shí)現(xiàn)樣品分離，無(wú)需過(guò)濾、離心等費(fèi)時(shí)、高成本操作，亦可應(yīng)用于體內(nèi)靶向釋放藥物;（3）通過(guò)MOFs與MNPs的協(xié)同作用，可以提高復(fù)合材料的某些性能，如催化作用等。合成MFCs材料常用的MNPs為鐵、鈷、鎳及其氧化物，目前研究中最常使用的MNPs是Fe3O4。Fe3O4具有反式尖晶石結(jié)構(gòu)，由于其磁響應(yīng)性良好，且具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和良好的生物相容性，使其在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。特別是Fe3O4MNPs獨(dú)特的超順磁性、大的比表面積、活潑且易于修飾的表面性質(zhì)，及不會(huì)造成環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)受到人們的格外重視。

4金屬有機(jī)框架材料對(duì)Cr離子的吸附去除

MOF材料對(duì)Cr離子及其他重金屬離子的吸附去除表現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為近年來(lái)研究熱點(diǎn)之一。尤其是MOF材料可以通過(guò)配體設(shè)計(jì)、后合成等手段進(jìn)行功能化修飾，提升其對(duì)Cr或其他重金屬離子的吸附作用力。吸附作用力的增強(qiáng)有利于提升MOF材料對(duì)低濃度重金屬離子的吸附去除能力，這是很多其他類(lèi)型材料難以實(shí)現(xiàn)的。而且一些MOF材料具有氧化還原活性，在吸附Cr離子的同時(shí)能將其還原成毒性相對(duì)小的Cr離子，這一特性也是很多其他吸附劑不具備的。不過(guò)，盡管MOF材料在Cr等重金屬離子吸附去除方面取得了很大的進(jìn)展，MOF材料的實(shí)際應(yīng)用仍存在一些挑戰(zhàn)。例如，對(duì)于Cr等重金屬離子的吸附，大多數(shù)MOF材料只能在特定pH值下才能表現(xiàn)出較大的吸附量，然而很多MOF材料在酸性、堿性甚至中性水溶液中的穩(wěn)定性不高。因此，提升MOF材料對(duì)Cr等重金屬離子的吸附能力的同時(shí)提升其穩(wěn)定性是今后研究的重點(diǎn)。在提高M(jìn)OF材料的水、酸、堿穩(wěn)定性方面，提升MOF結(jié)構(gòu)中金屬配體間的配位鍵強(qiáng)度是關(guān)鍵。前期的工作已經(jīng)證實(shí)一些高價(jià)金屬離子與含氧配體形成的MOF具有較好的穩(wěn)定性，如鋯羧酸鹽、鋯酚鹽、鉻羧酸鹽、鐵羧酸鹽等類(lèi)型的MOF。由pKa大的唑類(lèi)配體構(gòu)筑的MOF，如鋅咪唑鹽、鎳吡唑鹽等類(lèi)型的MOF也表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性。一些研究工作也顯示，提升MOF孔內(nèi)表面和/或晶體外表面的疏水性也有利于提升MOF的水穩(wěn)定性。不過(guò)，提升MOF的疏水性可能影響MOF對(duì)水中重金屬離子的吸附親和力。

結(jié)語(yǔ)

總之，目前對(duì)于材料與結(jié)構(gòu)的沖擊疲勞損傷模型和壽命預(yù)估方法尚不多見(jiàn)，也遠(yuǎn)未成熟。其他方法還有待繼續(xù)完善發(fā)展。

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（作者單位：河南工學(xué)院）