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金属材料与结构冲击疲劳问题研究综述

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  【摘 要】经济的发展,社会的进步推动了我国综合国力的提升,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、机载航炮中的复进簧、石油开采钻头钻杆、低压电器中万能式断路器的双刀轴承等,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。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。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。
  【关键词】金属材料;结构冲击;疲劳问题
  引言
  传统的冷挤压、喷丸等表面强化技术只能在材料表面形成最深75~250μm的硬化层,不能保证表面粗糙度和尺寸精度,无法满足新一代抗疲劳性能制造的要求。激光冲击强化技术是一种新型的表面强化技术,通过短脉冲、高峰值功率密度的激光作用在金属表面产生高达数GPa高压冲击波,使材料产生大于107s-1的超高应变率的塑性变形,可引入更深的残余压应力层并在表层产生位错滑移和晶粒细化,有效地抑制裂纹萌生和扩展,从而提高零件的抗疲劳、抗磨损、抗应力腐蚀等性能。这为提高结构件抗疲劳性能提供了一种新的解决方法。
  1冲击疲劳试验方法
  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、落锤式、弹簧冲锤式以及Hopkinson杆式。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。
  2激光冲击强化对疲劳性能的影响
  激光功率密度对强化后试样表面显微硬度、粗糙度、残余应力影响比较大。当激光功率密度为7.28GW/cm2、冲击3次时,可以获得较大的表面显微硬度和残余压应力,同时表面粗糙度小于原始磨削表面。但较大的残余压应力必然会导致试样表面塑性变形严重,造成应力集中可能会导致材料内部出现微裂纹,降低疲劳寿命。残余应力和疲劳性能并非完全对应关系,当残余应力增大到一定程度时,其疲劳寿命可能会降低。因此,从疲劳的角度分析,采用小能量多次冲击,可以获得更为均匀的强化层和较低的表面粗糙度,达到延寿的目的。激光冲击强化后表面残余压应力和显微硬度大幅提升是疲劳性能得以提高的主要原因。金属材料表面残余压应力的存在将使裂纹的门槛应力强度因子提高,裂纹源不容易扩展成裂纹,降低疲劳裂纹的扩展速率。较深的硬度影响层深度对于延长裂纹的扩展寿命有利,将减小裂纹的扩展速率。同时,激光冲击强化可以使表层晶粒细化,这可以提高滑移变形抗力,抑制循环滑移带的形成和开裂,增加裂纹扩展的晶界阻力。
  3 Fe3O4/金属-有机框架复合材料合成及应用
  金属-有机框架材料,又被称为多孔配位聚合物,是一种具有多孔结构的骨架材料,由金属离子或团簇与有机配体通过配位键结合而形成。MOFs材料由于其结构的可设计性和高度周期性以及高孔隙率、大比表面积等微观特性而成为材料学科的重要研究课题。组成MOFs材料的金属离子和有机配体种类十分丰富,通过选择不同的金属中心、有机配体和合成方法,可以设计合成具有不同结构和精确孔径的MOFs材料,使其获得相应的理化性能,满足生产应用的需要。目前,国内外已有大量将MOFs材料应用于光催化、传感、环境修复等领域的研究报道。然而,单一MOFs材料仍普遍存在一些问题,这些问题在一定程度上限制了其应用潜力的发挥。首先,一些MOFs材料化学稳定性差,在酸性或潮湿条件下框架容易塌陷;其次,常规方法合成的MOFs为粉末状态,机械强度弱。有报道提出将MOFs与一系列功能材料结合,既可以保留MOFs材料的优良性能,又能改善其缺点。目前,常把MOFs与量子点、金属纳米颗粒、石墨烯、多孔二氧化硅纳米球或磁性纳米粒子等功能材料结合。其中,由MNPs和MOFs材料结合而成的磁性框架复合材料赋予MOFs材料易分离、可定位的特性,引起许多学者的关注。与单一MOFs材料相较,MFCs材料具有以下优势:(1)MFCs表现出增强的化学稳定性;(2)MFCs材料通过外加磁场定向移动,可以轻松实现样品分离,无需过滤、离心等费时、高成本操作,亦可应用于体内靶向释放药物;(3)通过MOFs与MNPs的协同作用,可以提高复合材料的某些性能,如催化作用等。合成MFCs材料常用的MNPs为铁、钴、镍及其氧化物,目前研究中最常使用的MNPs是Fe3O4。Fe3O4具有反式尖晶石结构,由于其磁响应性良好,且具有稳定的化学性质和良好的生物相容性,使其在物理、化学、生物、医药等诸多领域受到广泛关注。特别是Fe3O4MNPs独特的超顺磁性、大的比表面积、活泼且易于修饰的表面性质,及不会造成环境污染等优势受到人们的格外重视。
  4金属有机框架材料对Cr离子的吸附去除
  MOF材料对Cr离子及其他重金属离子的吸附去除表现出了其独特的优势,成为近年来研究热点之一。尤其是MOF材料可以通过配体设计、后合成等手段进行功能化修饰,,提升其对Cr或其他重金属离子的吸附作用力。吸附作用力的增强有利于提升MOF材料对低浓度重金属离子的吸附去除能力,这是很多其他类型材料难以实现的。而且一些MOF材料具有氧化还原活性,在吸附Cr离子的同时能将其还原成毒性相对小的Cr离子,这一特性也是很多其他吸附剂不具备的。不过,尽管MOF材料在Cr等重金属离子吸附去除方面取得了很大的进展,MOF材料的实际应用仍存在一些挑战。例如,对于Cr等重金属离子的吸附,大多数MOF材料只能在特定pH值下才能表现出较大的吸附量,然而很多MOF材料在酸性、碱性甚至中性水溶液中的稳定性不高。因此,提升MOF材料对Cr等重金属离子的吸附能力的同时提升其稳定性是今后研究的重点。在提高MOF材料的水、酸、堿稳定性方面,提升MOF结构中金属配体间的配位键强度是关键。前期的工作已经证实一些高价金属离子与含氧配体形成的MOF具有较好的稳定性,如锆羧酸盐、锆酚盐、铬羧酸盐、铁羧酸盐等类型的MOF。由pKa大的唑类配体构筑的MOF,如锌咪唑盐、镍吡唑盐等类型的MOF也表现出良好的水稳定性。一些研究工作也显示,提升MOF孔内表面和/或晶体外表面的疏水性也有利于提升MOF的水稳定性。不过,提升MOF的疏水性可能影响MOF对水中重金属离子的吸附亲和力。
  结语
  总之,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。其他方法还有待继续完善发展。
  参考文献:
  [1]杨全伟.舰载拦阻钩载荷实测方法研究[J].航空学报,2014,36(4):1162-1168.
  [2]刘广,颜世伟,李海旭,等.国外航母航空保障技术发展现状[J].航空科学技术,2020,31(2):1-11.
  (作者单位:河南工学院)

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