你是否想過，為什么一座大橋能承受數十年的車流震動？為什么一部手機可以經受上萬次的按鍵按壓？為什么飛機的機翼能在高空反復彎曲而不斷裂？

這一切的背后，離不開一項關鍵的可靠性測試——疲勞試驗。

在工程領域，疲勞是指材料或結構在遠低于其靜態強度極限的循環載荷作用下，經過多次循環后發生裂紋甚至斷裂的現象。據統計，超過70%的機械零部件失效源于疲勞破壞。因此，進行疲勞試驗，是確保產品安全、可靠、長壽命運行的必經之路。

本文將系統介紹疲勞試驗怎么做，從原理到步驟，從設備到應用，帶你全面掌握這項“耐久性體檢”技術。

一、什么是疲勞試驗？

疲勞試驗（Fatigue Test）是通過在實驗室中對材料或產品施加周期性變化的載荷（如拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、振動等），模擬其在實際使用中承受的反復應力，以評估其在長期使用下的抗疲勞性能。

疲勞破壞的特點：

• 突發性：無明顯塑性變形，斷裂前難以察覺

• 低應力：破壞應力遠低于材料的屈服強度

• 累積性：損傷隨循環次數逐步積累

• 起源于缺陷：常從表面劃痕、孔洞、焊縫等應力集中處開始

二、疲勞試驗的核心目標

1. 測定疲勞極限：材料在無限次循環下不發生斷裂的最大應力值。

2. 繪制S-N曲線（應力-壽命曲線）：描述應力水平與疲勞壽命的關系。

3. 評估使用壽命：預測產品在實際工況下的安全壽命。

4. 發現設計缺陷：識別結構薄弱點，優化設計。

5. 驗證材料性能：比較不同材料、工藝的抗疲勞能力。

三、疲勞試驗怎么做？

第1步：明確試驗目的與標準

• 確定測試對象：是材料試樣、零部件還是整機？

• 選擇試驗標準：

• 金屬材料：GB/T 3075、ISO 1099、ASTM E466

• 焊接結構：GB/T 13816

• 汽車部件：QC/T 513

• 航空航天：HB 5287

第2步：設計試樣與夾具

• 試樣形狀：通常為啞鈴形、圓柱形或根據實際結構定制。

• 尺寸精度：表面光潔度、尺寸公差需嚴格控制，避免人為應力集中。

• 夾具設計：確保載荷均勻施加，避免偏心或滑移。

第3步：選擇試驗設備

最常用的設備是電液伺服疲勞試驗機或電磁式疲勞試驗機，主要組成部分包括：

• 加載框架：提供結構支撐

• 作動器：產生循環載荷（力、位移）

• 控制系統：設定波形（正弦、三角、方波）、頻率、幅值

• 傳感器：力傳感器、位移傳感器、引伸計

• 數據采集系統：記錄載荷、位移、循環次數

第4步：開始試驗并監控

1. 安裝試樣，連接傳感器

2. 啟動控制系統，施加預載荷

3. 逐步加載至設定應力水平

4. 持續運行，實時監控：

• 載荷與位移曲線

• 試樣溫度

• 是否出現裂紋（可用顯微鏡或聲發射監測）

5. 記錄疲勞壽命（Nf）：從開始加載到斷裂的總循環次數

第5步：數據分析與報告

• 繪制S-N曲線：橫軸為循環次數（N），縱軸為應力幅值（S）

• 確定疲勞極限：對于鋼鐵材料，通常取10?次不斷裂的應力值

• 斷口分析：通過掃描電鏡（SEM）觀察疲勞條紋，判斷裂紋起源與擴展路徑

• 出具報告：包含試樣信息、試驗條件、數據圖表、結論建議