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

這一切的背后，離不開一項關(guān)鍵的可靠性測試——疲勞試驗。

在工程領(lǐng)域，疲勞是指材料或結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)低于其靜態(tài)強(qiáng)度極限的循環(huán)載荷作用下，經(jīng)過多次循環(huán)后發(fā)生裂紋甚至斷裂的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，超過70%的機(jī)械零部件失效源于疲勞破壞。因此，進(jìn)行疲勞試驗，是確保產(chǎn)品安全、可靠、長壽命運(yùn)行的必經(jīng)之路。

本文將系統(tǒng)介紹疲勞試驗怎么做，從原理到步驟，從設(shè)備到應(yīng)用，帶你全面掌握這項“耐久性體檢”技術(shù)。

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(chǎn)品施加周期性變化的載荷（如拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、振動等），模擬其在實際使用中承受的反復(fù)應(yīng)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(fā)性：無明顯塑性變形，斷裂前難以察覺

• 低應(yīng)力：破壞應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度

• 累積性：損傷隨循環(huán)次數(shù)逐步積累

• 起源于缺陷：常從表面劃痕、孔洞、焊縫等應(yīng)力集中處開始

二、疲勞試驗的核心目標(biāo)

1. 測定疲勞極限：材料在無限次循環(huán)下不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力值。

2. 繪制S-N曲線（應(yīng)力-壽命曲線）：描述應(yīng)力水平與疲勞壽命的關(guān)系。

3. 評估使用壽命：預(yù)測產(chǎn)品在實際工況下的安全壽命。

4. 發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷：識別結(jié)構(gòu)薄弱點，優(yōu)化設(shè)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?zāi)康呐c標(biāo)準(zhǔn)

• 確定測試對象：是材料試樣、零部件還是整機(jī)？

• 選擇試驗標(biāo)準(zhǔn)：

• 金屬材料：GB/T 3075、ISO 1099、ASTM E466

• 焊接結(jié)構(gòu)：GB/T 13816

• 汽車部件：QC/T 513

• 航空航天：HB 5287

第2步：設(shè)計試樣與夾具

• 試樣形狀：通常為啞鈴形、圓柱形或根據(jù)實際結(jié)構(gòu)定制。

• 尺寸精度：表面光潔度、尺寸公差需嚴(yán)格控制，避免人為應(yīng)力集中。

• 夾具設(shè)計：確保載荷均勻施加，避免偏心或滑移。

第3步：選擇試驗設(shè)備

最常用的設(shè)備是電液伺服疲勞試驗機(jī)或電磁式疲勞試驗機(jī)，主要組成部分包括：

• 加載框架：提供結(jié)構(gòu)支撐

• 作動器：產(chǎn)生循環(huán)載荷（力、位移）

• 控制系統(tǒng)：設(shè)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：記錄載荷、位移、循環(huán)次數(shù)

第4步：開始試驗并監(jiān)控

1. 安裝試樣，連接傳感器

2. 啟動控制系統(tǒng)，施加預(yù)載荷

3. 逐步加載至設(shè)定應(yīng)力水平

4. 持續(xù)運(yùn)行，實時監(jiān)控：

• 載荷與位移曲線

• 試樣溫度

• 是否出現(xiàn)裂紋（可用顯微鏡或聲發(fā)射監(jiān)測）

5. 記錄疲勞壽命（Nf）：從開始加載到斷裂的總循環(huán)次數(shù)

第5步：數(shù)據(jù)分析與報告

• 繪制S-N曲線：橫軸為循環(huán)次數(shù)（N），縱軸為應(yīng)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(yīng)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(kuò)展路徑

• 出具報告：包含試樣信息、試驗條件、數(shù)據(jù)圖表、結(jié)論建議