多次冲击试验的抗力评估

对一些承受冲击载荷的零件（如凿岩机活塞、锻锤锤杆、锻模、火车车轮与钢轨轨头等）习惯上认为可以用一次冲击所得到的冲击韧度来表明这类零件承受冲击载荷的抗力，但是一次冲击试验是大能量一次冲断的过程，而上述承受冲击载荷的零件却是小能量多次冲断的过程，二者破断过程不同，因而具有不同的性质。小能量多次冲击试验，一般是用一定直径和长度的圆柱形试样，经三点或四点冲击弯曲加载或拉伸冲击加载，用冲击能量A和相应的破断周次N绘成A-N曲线来表示材料抗多次冲击加载的能力。多次冲击弯曲试验如图6-133所示，所得典型A-N曲线如图6-134所示。由图6-134可看出：①35钢200℃回火时强度高、塑性低；500℃回火时强度低、塑性高。②二者的多次冲击曲线有一交点，交点以左，塑性高的多次冲击抗力高；交点以右，强度高的多次冲击抗力高。由此表明交点左右，决定多次冲击抗力的主导因素发生了转移。对大量强塑配合不同的材料进行试验，表明交点位置仅仅在大约几百次到几万次之间变化。即使此时，试样单位体积所承受的冲击能量也是远远超过上述承受冲击零件单位体积所承受的冲击能量，因而对一般承受冲击载荷的零件，主要的是应该要求较高的强度，而不是较大的一次冲击韧度。用这样的观点来改进锤杆、凿岩机活塞、钎尾、钎杆的材料和工艺，使零件寿命得到了成倍和几倍的提高。

图6-133 多次冲击弯曲试验

图6-134 典型多次冲击A-N曲线（35钢）

1—500℃回火 2—200℃回火(www.xing528.com)

多次冲击试验还表明，不同冲击能量要求一定的强度和塑性配合。图6-135所示为50钢不同温度回火时，不同冲击能量下，其冲击破断周次的变化。由图可见，冲击破断周次随回火温度变化出现了峰值，并且随冲击能量增加，峰值向较高回火温度转移。该现象表明随冲击能量增加，为得到最佳多次冲击抗力，需要有较高的塑性和韧性与之配合；并且，当冲击能量相当高，其破断周次仅100～200次时，其最佳回火温度是450℃，并非通常惯用的高温调质。多次冲击试验的另一重要结果是，冲击韧度a_KU对多次冲击抗力的影响与材料强度水平有关。图6-136所示为合金结构钢在同强度水平条件下，一次冲击韧度a_KU与多次冲击破坏次数N的关系。在低强度水平时，如R_m＜1000MPa，这时塑性韧性已较高，所以再增加塑性韧性对多次冲击抗力影响甚微；而当强度水平较高时，如R_m＞1500MPa，这时因塑性韧性已较低，所以适当提高塑性韧性对提高多次冲击抗力影响甚为显著。

图6-135 50钢不同回火温度情况下不同冲击能量与破断次数的关系曲线

上述多次冲击试验相当于冲击疲劳的过载持久值部分，如用应力和应变参量表示，多次冲击规律大致符合低周疲劳关系。但多次冲击疲劳与一般非冲击加载疲劳比，其破坏过程仍有不同。研究表明，多次冲击载荷速度比一般非冲击疲劳的载荷速度大两个数量级，前者缺口或裂纹尖端塑性变形范围比后者的要小得多，因而多次冲击情况下有更大的缺口系数；多次冲击情况下对回火脆性更敏感；多次冲击是能量载荷，有明显的体积效应。