材料疲勞試驗是評估材料或構件在交變應力 / 應變作用下抵抗漸進式破壞（疲勞破壞）能力的關鍵力學性能試驗。不同于靜載試驗（如拉伸、壓縮），疲勞試驗關注材料在 “低應力、高循環” 或 “高應力、低循環” 的反復載荷下，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計提供材料的疲勞壽命數據，避免因疲勞失效導致的結構安全事故（如飛機發動機葉片斷裂、橋梁鋼構件開裂等）。

一、核心概念：疲勞破壞的本質

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. 低應力斷裂：破壞時的最大應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：材料表面或內部缺陷（如夾雜物、加工劃痕）處因應力集中產生微小裂紋（通常 < 0.1mm）；

• 裂紋擴展：隨著循環次數增加，裂紋緩慢向內部擴展，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 “突發性”，風險極高。

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，記錄材料達到破壞時的循環次數（即 “疲勞壽命”），最終通過多組不同載荷下的試驗數據，繪制 “應力 - 壽命曲線（S-N 曲線）”，進而確定材料的疲勞極限或疲勞強度。

關鍵術語：

• 疲勞極限（Fatigue Limit）：又稱 “持久極限”，指材料在無限次循環載荷下（通常定義為 10?或 10?次）仍不發生疲勞破壞的最大應力值（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，定義為在規定循環次數（如 10?次）下不發生破壞的最大應力值。

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

• 對稱循環（R=-1）：如旋轉軸（正反轉時承受交變拉壓應力）；

• 脈動循環（R=0）：如齒輪齒根（僅承受交變拉應力）；

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

三、疲勞試驗的核心參數

試驗參數直接影響結果的準確性和適用性，需根據實際工程場景設定：

四、主要試驗設備

疲勞試驗機根據加載方式和原理分類，核心功能是提供穩定的交變載荷并記錄數據：

五、疲勞試驗的完整流程

1. 試樣制備

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

• 關鍵要求：

• 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；

• 試樣數量充足：每組應力水平至少 3-5 個試樣，減少數據離散性。

2. 試驗方案設計

根據工程需求確定核心參數：

• 明確循環特性（R 值，如對稱循環 R=-1）；

• 設定應力水平梯度：通常從高于預估疲勞極限的應力開始，逐步降低，覆蓋 “高應力 - 低壽命” 到 “低應力 - 高壽命” 區間；

• 確定環境條件（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；

• 預加載：檢查載荷與位移的線性關系，排除設備誤差；

• 正式試驗：啟動設備，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循環次數（如 10?次未斷則視為 “通過”）。

4. 斷口分析（關鍵環節）

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：斷口起點，通常位于表面或內部缺陷處，呈光滑凹陷狀；

• 疲勞擴展區：存在平行的 “疲勞輝紋”（每一條輝紋對應一次載荷循環），是疲勞破壞的典型特征；

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

5. 數據處理與結果表示

• 繪制 S-N 曲線：以應力幅（σ?）為縱坐標，循環次數（N）為橫坐標（通常 N 取對數坐標 lgN），將多組試驗數據擬合為曲線。

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

• 計算疲勞壽命：通過 S-N 曲線插值，預測材料在特定應力下的循環壽命；或通過外推（需謹慎）估算低應力下的壽命。

六、主要應用領域

疲勞試驗是工程設計的 “安全屏障”，廣泛應用于以下行業：

1. 航空航天：飛機起落架、發動機葉片、機身框架等，需承受數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）；

2. 汽車工業：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）；

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

4. 土木工程：橋梁鋼桁架、高層建筑鋼結構、風電塔架等，承受風載荷、車輛載荷的交變作用，需驗證數十年的疲勞壽命；

5. 醫療器械：人工關節、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、影響疲勞試驗結果的關鍵因素

試驗結果的離散性較大（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：材料發熱導致溫度升高，降低疲勞強度；

• 試樣安裝偏差：附加彎矩會使實際應力高于設定值，導致壽命偏短。

3. 環境因素：

• 高溫：材料軟化，疲勞強度下降；

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

八、發展趨勢

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、更復雜的方向發展：

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

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

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

4. 數字化與預測技術：結合有限元分析（FEA）和疲勞損傷模型（如 Miner 線性累積損傷理論），通過少量試驗數據預測復雜構件的疲勞壽命，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用的橋梁，其結果直接決定了結構的安全性和可靠性。在設計任何承受交變載荷的產品時，疲勞試驗數據都是不可或缺的核心依據。