材料疲勞試驗是評估材料或構(gòu)件在交變應(yīng)力 / 應(yīng)變作用下抵抗?jié)u進式破壞（疲勞破壞）能力的關(guān)鍵力學(xué)性能試驗。不同于靜載試驗（如拉伸、壓縮），疲勞試驗關(guān)注材料在 “低應(yīng)力、高循環(huán)” 或 “高應(yīng)力、低循環(huán)” 的反復(fù)載荷下，從微觀裂紋萌生、擴展到宏觀斷裂的全過程，核心目的是為工程設(shè)計提供材料的疲勞壽命數(shù)據(jù)，避免因疲勞失效導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)安全事故（如飛機發(fā)動機葉片斷裂、橋梁鋼構(gòu)件開裂等）。

一、核心概念：疲勞破壞的本質(zhì)

材料在交變載荷下的疲勞破壞具有以下顯著特征，也是疲勞試驗的研究核心：

1. 低應(yīng)力斷裂：破壞時的最大應(yīng)力往往遠低于材料的靜載抗拉強度，甚至低于屈服強度（如鋼構(gòu)件可能在屈服強度的 40%-60% 下因疲勞斷裂）。

2. 漸進式破壞：過程分為三個階段 ——

• 裂紋萌生：材料表面或內(nèi)部缺陷（如夾雜物、加工劃痕）處因應(yīng)力集中產(chǎn)生微小裂紋（通常 < 0.1mm）；

• 裂紋擴展：隨著循環(huán)次數(shù)增加，裂紋緩慢向內(nèi)部擴展，形成 “疲勞輝紋”（斷口特征）；

• 瞬時斷裂：裂紋擴展至臨界尺寸后，在剩余截面無法承受載荷時突然斷裂。

3. 無明顯塑性變形：疲勞斷裂前通常沒有顯著的塑性變形（如彎曲、伸長），破壞具有 “突發(fā)性”，風(fēng)險極高。

二、疲勞試驗的基本原理

疲勞試驗的核心是模擬實際工況中的交變載荷，通過控制載荷的大小、頻率、波形等參數(shù)，記錄材料達到破壞時的循環(huán)次數(shù)（即 “疲勞壽命”），最終通過多組不同載荷下的試驗數(shù)據(jù)，繪制 “應(yīng)力 - 壽命曲線（S-N 曲線）”，進而確定材料的疲勞極限或疲勞強度。

關(guān)鍵術(shù)語：

• 疲勞極限（Fatigue Limit）：又稱 “持久極限”，指材料在無限次循環(huán)載荷下（通常定義為 10?或 10?次）仍不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值（僅對鐵、鋼等黑色金屬明顯，鋁、銅等有色金屬無明確疲勞極限）。

• 疲勞強度（Fatigue Strength）：對無疲勞極限的材料，定義為在規(guī)定循環(huán)次數(shù)（如 10?次）下不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力值。

• 循環(huán)特性（應(yīng)力比 R）：描述交變應(yīng)力的不對稱程度，公式為 R = 最小應(yīng)力 / 最大應(yīng)力（應(yīng)力有正負(fù)，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）。常見工況：

• 對稱循環(huán)（R=-1）：如旋轉(zhuǎn)軸（正反轉(zhuǎn)時承受交變拉壓應(yīng)力）；

• 脈動循環(huán)（R=0）：如齒輪齒根（僅承受交變拉應(yīng)力）；

• 靜載疊加循環(huán)（R>0 或 R<-1）：如發(fā)動機連桿（承受平均拉應(yīng)力 + 交變應(yīng)力）。

三、疲勞試驗的核心參數(shù)

試驗參數(shù)直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性和適用性，需根據(jù)實際工程場景設(shè)定：

四、主要試驗設(shè)備

疲勞試驗機根據(jù)加載方式和原理分類，核心功能是提供穩(wěn)定的交變載荷并記錄數(shù)據(jù)：

五、疲勞試驗的完整流程

1. 試樣制備

• 試樣類型：分為 “標(biāo)準(zhǔn)試樣”（按 ISO 12106、ASTM E466 等標(biāo)準(zhǔn)加工，便于材料間對比）和 “非標(biāo)試樣”（模擬實際構(gòu)件形狀，如缺口試樣、焊接接頭試樣）。

• 關(guān)鍵要求：

• 表面光潔度高（Ra≤0.8μm）：避免加工劃痕成為提前裂紋源；

• 尺寸精度高：確保載荷均勻分布；

• 試樣數(shù)量充足：每組應(yīng)力水平至少 3-5 個試樣，減少數(shù)據(jù)離散性。

2. 試驗方案設(shè)計

根據(jù)工程需求確定核心參數(shù)：

• 明確循環(huán)特性（R 值，如對稱循環(huán) R=-1）；

• 設(shè)定應(yīng)力水平梯度：通常從高于預(yù)估疲勞極限的應(yīng)力開始，逐步降低，覆蓋 “高應(yīng)力 - 低壽命” 到 “低應(yīng)力 - 高壽命” 區(qū)間；

• 確定環(huán)境條件（如室溫、高溫 300℃、鹽水腐蝕等）。

3. 加載與運行

• 安裝試樣：確保夾持牢固，避免附加彎矩；

• 預(yù)加載：檢查載荷與位移的線性關(guān)系，排除設(shè)備誤差；

• 正式試驗：啟動設(shè)備，實時記錄 “載荷 - 時間”“位移 - 時間” 曲線，直至試樣斷裂或達到目標(biāo)循環(huán)次數(shù)（如 10?次未斷則視為 “通過”）。

4. 斷口分析（關(guān)鍵環(huán)節(jié)）

疲勞斷裂后的斷口分析可追溯破壞原因，常用工具為掃描電子顯微鏡（SEM）：

• 疲勞源區(qū)：斷口起點，通常位于表面或內(nèi)部缺陷處，呈光滑凹陷狀；

• 疲勞擴展區(qū)：存在平行的 “疲勞輝紋”（每一條輝紋對應(yīng)一次載荷循環(huán)），是疲勞破壞的典型特征；

• 瞬時斷裂區(qū)：裂紋擴展至臨界尺寸后的快速斷裂區(qū)，呈粗糙的韌窩或解理狀（取決于材料韌性）。

5. 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果表示

• 繪制 S-N 曲線：以應(yīng)力幅（σ?）為縱坐標(biāo)，循環(huán)次數(shù)（N）為橫坐標(biāo)（通常 N 取對數(shù)坐標(biāo) lgN），將多組試驗數(shù)據(jù)擬合為曲線。

• 例：鋼的 S-N 曲線存在水平段，水平段對應(yīng)的應(yīng)力即為疲勞極限；鋁的 S-N 曲線持續(xù)下降，無水平段，需定義 10?次循環(huán)的疲勞強度。

• 計算疲勞壽命：通過 S-N 曲線插值，預(yù)測材料在特定應(yīng)力下的循環(huán)壽命；或通過外推（需謹(jǐn)慎）估算低應(yīng)力下的壽命。

六、主要應(yīng)用領(lǐng)域

疲勞試驗是工程設(shè)計的 “安全屏障”，廣泛應(yīng)用于以下行業(yè)：

1. 航空航天：飛機起落架、發(fā)動機葉片、機身框架等，需承受數(shù)萬次起降的交變載荷，疲勞壽命要求極高（如葉片需滿足 10?次飛行循環(huán)）；

2. 汽車工業(yè)：曲軸、連桿、彈簧、車輪輪轂等，模擬車輛行駛中的振動和載荷，確保行駛安全（如彈簧需滿足 10?次壓縮循環(huán)）；

3. 機械制造：軸承、齒輪、傳動軸等，評估在旋轉(zhuǎn)工況下的疲勞性能，避免設(shè)備突然失效；

4. 土木工程：橋梁鋼桁架、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)、風(fēng)電塔架等，承受風(fēng)載荷、車輛載荷的交變作用，需驗證數(shù)十年的疲勞壽命；

5. 醫(yī)療器械：人工關(guān)節(jié)、心臟支架等，模擬人體運動或血流的交變載荷，確保植入物的長期可靠性。

七、影響疲勞試驗結(jié)果的關(guān)鍵因素

試驗結(jié)果的離散性較大（通常 ±20%-50%），需控制以下影響因素：

1. 材料本身：

• 微觀組織：晶粒細化可提高疲勞強度；夾雜物（如硫化物、氧化物）會成為裂紋源，降低壽命；

• 表面處理：噴丸強化（引入表面壓應(yīng)力）可顯著提高疲勞極限；電鍍、涂層缺陷可能加速疲勞破壞。

2. 試驗條件：

• 頻率過高：材料發(fā)熱導(dǎo)致溫度升高，降低疲勞強度；

• 試樣安裝偏差：附加彎矩會使實際應(yīng)力高于設(shè)定值，導(dǎo)致壽命偏短。

3. 環(huán)境因素：

• 高溫：材料軟化，疲勞強度下降；

• 腐蝕介質(zhì)（如海水、酸雨）：形成 “應(yīng)力腐蝕疲勞”，裂紋擴展速度大幅提高（比干燥環(huán)境快 10-100 倍）。

八、發(fā)展趨勢

隨著工程對安全性和輕量化的需求提升，疲勞試驗正向更精準(zhǔn)、更復(fù)雜的方向發(fā)展：

1. 多軸疲勞試驗：模擬實際構(gòu)件的復(fù)合載荷（如拉 - 扭、彎 - 扭），更貼近真實工況（如汽車驅(qū)動軸同時承受拉應(yīng)力和扭矩）；

2. 高頻 / 超高頻疲勞試驗：采用電磁諧振或超聲激勵技術(shù)，實現(xiàn) 10?次以上的 “超長壽疲勞” 試驗，滿足風(fēng)電、高鐵等長壽命設(shè)備需求；

3. 疲勞 - 環(huán)境耦合試驗：將疲勞加載與高溫、腐蝕、振動等多因素結(jié)合（如航空發(fā)動機葉片的 “高溫腐蝕疲勞試驗”）；

4. 數(shù)字化與預(yù)測技術(shù)：結(jié)合有限元分析（FEA）和疲勞損傷模型（如 Miner 線性累積損傷理論），通過少量試驗數(shù)據(jù)預(yù)測復(fù)雜構(gòu)件的疲勞壽命，降低試驗成本。

總之，材料疲勞試驗是連接材料性能與工程應(yīng)用的橋梁，其結(jié)果直接決定了結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。在設(shè)計任何承受交變載荷的產(chǎn)品時，疲勞試驗數(shù)據(jù)都是不可或缺的核心依據(jù)。