單點疲勞試驗一般按如下步驟進(jìn)行：①測量試樣最小直徑犱ｍｉｎ和計算或查出加載系數(shù) 犓；②首先確定抗拉強(qiáng)度為σｂ 的第１根試樣的最大應(yīng)力約為σ１＝（０．６～０．７）σｂ，并由式（１）計算應(yīng)施加的載荷

犘；③安裝試樣；④施加載荷犘；⑤試樣斷裂后記下壽命犖１，取下試樣描繪疲勞破壞斷口的特征；⑥取另一試樣使其最大應(yīng)力σ２＝（０．４０～０．４５）σｂ，重復(fù)步驟③～⑤測得疲勞壽命 犖２，若 犖２＜１０７ 次，則應(yīng)

降低應(yīng)力再重復(fù)步驟③～⑤，直至在σ２ 作用下，犖２＞１０７ 次；⑦在σ１ 與σ２ 之間插入４～５個等差應(yīng)

力水平，它們分別為σ３，σ４，σ５，σ６，逐級遞減進(jìn)行以上試驗，相應(yīng)的壽命分別為犖３，犖４，犖５，犖６。

數(shù)據(jù)處理通常按以下方式進(jìn)行：當(dāng)與σ６ 相應(yīng)的犖６＜１０７ 次，疲勞極限在σ２ 與σ６ 之間，這時取σ７＝１／２（σ２ ＋σ６）再進(jìn)行試驗；當(dāng)與σ６ 相應(yīng)的 犖６ ＞１０７ 次，取σ７＝１／２（σ５＋σ６）再進(jìn)行試驗。疲勞極限確定按表１所示，其中σ７－σ２ 和σ７－σ６ 均應(yīng)滿足小于控制精度Δσ。

１．２ 升降法疲勞試驗

１．２．１ 試驗方法及試樣類型

升降法疲勞試驗是獲得金屬材料或結(jié)構(gòu)疲勞極限的一種比較常用而又精確的方法，在常規(guī)疲勞試驗方法測定疲勞強(qiáng)度的基礎(chǔ)上或在指定壽命的材料或結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度無法通過試驗直接測定的情況下，一般采用升降法疲勞試驗間接測定疲勞強(qiáng)度。升降法疲勞試驗主要用于測定中、長壽命區(qū)材料或結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的隨機(jī)特性。所需試驗機(jī)一般為拉壓疲勞試 驗 機(jī)，需 滿 足 靜 載 荷 顯 示 值 誤 差 不 大 于±１％，顯示值變動度不大于±１％，平均載荷顯示值波動度不大于使用載荷滿量程的±１％，振幅顯示值波動度不大于使用載荷滿量程的±２％。夾具的中心線應(yīng)盡量與試驗機(jī)的施力軸線重合，以確保沿試樣軸線無間隙地準(zhǔn)確傳遞循環(huán)載荷。對于同一批試樣，應(yīng)在相同頻率下進(jìn)行試驗，頻率相差過大，可能對試驗結(jié)果有影響。升降法疲勞試驗示意圖［７］如圖２所示，其中指定壽命犖＝１０７ 次。升降法疲勞試驗需要大約１６根試樣，根據(jù) ＧＢ／Ｔ３０７５－２００８《金屬材料 疲勞試驗軸向力控制方法》規(guī)定，試驗試樣一般分為圓形截面和矩形截面兩種，如圖３所示。試樣要求平行度、同軸度和垂直度都小于或等于０．００５犱，平均表面粗糙度犚ａ≤０．２μｍ。

１．２．２ 試驗步驟及數(shù)據(jù)處理

試驗從高于疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力水平開始，然后逐級降低。當(dāng)材料疲勞強(qiáng)度參考值未知時，可選用材料的靜態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度如犚ｐ０．２或犚ｅＬ作為疲勞強(qiáng)度名義值。在應(yīng)力水平σ０ 下進(jìn)行第１根試樣試驗，該試樣在達(dá)到指定壽命犖＝１０７ 次循環(huán)之前發(fā)生了破壞，于是第２根試樣就在低一級的應(yīng)力水平σ１ 下進(jìn)行試驗。如果前一根試樣不到１０７ 次循環(huán)就破壞，則隨后的一根試樣就要在低一級的應(yīng)力水平下進(jìn)行；如果前一根試樣經(jīng)１０７ 次循環(huán)沒有破壞，則隨后的一根試樣要在高一級的應(yīng)力水平下進(jìn)行，直到完成全部試樣為止［８］。各級應(yīng)力水平之差叫做“應(yīng)力增量”。在整個試驗過程中，應(yīng)力增量應(yīng)保持不變。升降法疲勞試驗一般按如下步驟進(jìn)行：①安裝試樣，安裝試樣時需仔細(xì)操作，使試樣與疲勞試驗機(jī)上、下夾具保持同軸，盡量減少試樣承受規(guī)定軸向應(yīng)力以外的其他應(yīng)力；②參數(shù)設(shè)置，在電腦界面上設(shè)置

試驗參數(shù)，如動載荷、頻率、循環(huán)次數(shù)、試樣工作部分的直徑和橫截面積等；③施加載荷，所施加的動載荷一般為對稱循環(huán)應(yīng)力，波形為正弦波；④終止試驗，試樣在規(guī)定循環(huán)應(yīng)力下，通常一直連續(xù)試驗至試樣失效或規(guī)定循環(huán)次數(shù)。在處理試驗結(jié)果時，將出現(xiàn)第一對相反結(jié)果以前的數(shù)據(jù)舍棄。以犞犻 表示在第犻級應(yīng)力水平σ犻 下進(jìn)行的試驗次數(shù)，狀表示有效試驗總次數(shù)，犿 表示升降應(yīng)力水平的級數(shù)，則疲勞強(qiáng)度σ的一般表達(dá)式可寫為：

試驗最好在４級應(yīng)力水平下進(jìn)行。當(dāng)完成了第６或第７根試樣的試驗后，就可以按照上式開始計算σ值，并陸續(xù)計算出第８，９，１０，…根試樣試驗后的疲勞強(qiáng)度值。當(dāng)這些疲勞強(qiáng)度數(shù)值的變化越來越小，趨于穩(wěn)定時，試驗即可停止。將完成最后１根試樣的試驗所計算出的疲勞強(qiáng)度值作為欲求的疲勞強(qiáng)度。

采用升降法測定疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵，在于應(yīng)力增量Δσ的選取。一般來說，應(yīng)力增量最好選擇在４級應(yīng)力水平下進(jìn)行。當(dāng)已知由常規(guī)疲勞試驗法測定的疲勞強(qiáng)度時，可?。担ヒ詢?nèi)的疲勞強(qiáng)度作為應(yīng)力增量Δσ。

１．３ 高頻振動疲勞試驗法

１．３．１ 試驗方法及試樣類型

常規(guī)疲勞試驗中交變載荷的頻率一般低于２００Ｈｚ，無法精確測得一些零件在高頻環(huán)境狀態(tài)下的疲勞損傷。高頻振動試驗利用試驗器材產(chǎn)生含有循環(huán)載荷頻率為１０００Ｈｚ左右特性的交變慣性力作用于疲勞試樣上，可以滿足在高頻、低幅、高循環(huán)環(huán)境條件下服役金屬材料的疲勞性能研究。高頻振動試驗主要用于軍民機(jī)械工程的需要。試驗裝置通常包括：控制儀、電荷適配器、功率放大器、加速度計、振動臺等，如圖４所示。高頻振動疲勞試樣依據(jù)常規(guī)疲勞試樣和超聲疲勞試樣設(shè)計成如圖１所示形狀，其材料一般選用高強(qiáng)度鋼。

１．３．２ 試驗步驟及數(shù)據(jù)處理

高頻振動疲勞試驗一般按如下步驟進(jìn)行：①按要求安裝試樣；②安裝控制與測量的加速度傳感器，并進(jìn)行５００～２０００Ｈｚ的正弦掃頻試驗，根據(jù)掃頻結(jié)果選取試驗頻率；③以選取的試驗頻率、控制加速度進(jìn)行正弦高頻振動環(huán)境疲勞試驗，調(diào)整試驗應(yīng)力水平為σ＝mα／S，（m為配重質(zhì)量，α為配重的加速度，S為試樣橫截面積）；④應(yīng)用振動臺的高頻振動特性和集中質(zhì)量所形成的交變載荷，通過計算機(jī)獲得穩(wěn)定的試驗數(shù)據(jù)。將獲得試驗數(shù)據(jù)以試驗應(yīng)力σ為縱坐標(biāo)，以疲勞壽命的對數(shù)ｌｇ犖 為橫坐標(biāo)，由如下公式按照最小二乘法擬合直線的原理，使各數(shù)據(jù)點到直線的水平距離的平方和為最?。?/span>

式中：σ０ 為當(dāng) N→∞時的應(yīng)力，可近似代表疲勞極限。根據(jù)這個條件，即可由微積分中求極值的方法，推知常數(shù)a和b分別為［１０］：

采用回歸分析的方法進(jìn)行曲線擬合，將同一種材料不同應(yīng)力比或不同平均應(yīng)力下的曲線畫在同一圖中，繪制σN 曲線，從而反映材料的疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命關(guān)系，得到疲勞試驗結(jié)果

１．４ 超聲法疲勞試驗

１．４．１ 試驗方法及試樣類型

超聲法疲勞試驗是一種加速共振式的疲勞試驗方法，其測試頻率（２０ｋＨｚ）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)疲勞測試頻率（小于２００Ｈｚ）。超聲疲勞試驗可以在不同載荷特征、不同環(huán)境和溫度等條件下進(jìn)行，為疲勞研究提供了一個很好的手段。超聲疲勞試驗一般用于超高周疲 勞 試 驗，主 要 針 對 １０９ 以 上 周 次 疲 勞 試驗［１１］。高周疲勞時，材料宏觀上主要表現(xiàn)為彈性的，所以在損傷本構(gòu)關(guān)系中采用應(yīng)力、應(yīng)變等參量的彈性關(guān)系處理，而不涉及微塑性［１２］。所需儀器主要包括以下３部分：①超聲頻率發(fā)生器，將超聲正弦波電信號由５０Ｈｚ轉(zhuǎn)變?yōu)椋玻埃耄龋?；②壓力陶瓷換能器，

將電源提供的電信號轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動信號；③位移放大器，放大位移振幅使試樣獲得所需的應(yīng)變振幅。除以上３個關(guān)鍵的部件以外，超聲疲勞試驗系統(tǒng)還包括記錄控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)，如圖５所示。

超聲疲勞試樣的設(shè)計必須滿足試驗系統(tǒng)諧振條件，所需試樣一般有拉壓試樣和三點彎曲試樣兩種［１４］，如圖６所示。

拉壓試樣的形狀為漏斗型，試樣中間為懸鏈線，兩端為柱體。要求試樣具有第一階縱向共振模態(tài)。用解析法計算試樣的諧振長度的微分方程為：

式中：犝 為縱向自由振動位移；犛為試樣橫截面積；K

為材料常數(shù)；f為系統(tǒng)振動頻率；ρ為試樣密度；Ed為材料的動態(tài)彈性模量。解析法計算的試樣的共振長度為：

由于超聲疲勞試驗測試材料１０４～１０１０周次的疲勞性能，在該范圍內(nèi)，材料服從胡克定律。振動時試樣中間截面的應(yīng)變和應(yīng)力計算公式分別為：

式中：A０ 為試樣端部的縱向位移幅值；在試樣材料及幾何尺寸一定的條件下，φ（L１，L２），β為定值?？梢娫嚇又虚g截面的應(yīng)力和應(yīng)變與 A０ 成正比，超聲疲勞試驗是通過控制端部位移幅值A(chǔ)０ 實現(xiàn)的。三點彎曲試樣形狀為長條形，其橫向振動微分方程為：

式中：EI為彎曲剛度，解析法計算的試樣共振長度為：

根據(jù)梁的橫力彎曲正應(yīng)力及撓度關(guān)系，可得到三點彎曲試樣中間截面的最大正應(yīng)力與外加位移幅值A(chǔ)０ 的關(guān)系為:

故當(dāng)試樣材料及幾何尺寸確定后，便可由外加幅值 犃０ 確定最大正應(yīng)力。

１．４．２ 試驗步驟及數(shù)據(jù)處理

超聲法疲勞試驗一般按如下步驟進(jìn)行：①對所測試樣進(jìn)行測量校準(zhǔn)；②安裝試樣，對稱拉壓試驗中，試樣的一端固定放大器末端，另一端自由，非對稱拉壓試驗中，需兩個放大器，試樣兩端分別加在兩個放大器上；③對所加載荷和試驗頻率進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；④開始試驗，啟動開關(guān)將試驗頻率加速至超聲頻率后記錄下試驗數(shù)據(jù)。將所得數(shù)據(jù)用Ｂａｓｑｕｉｎ方程λ來描述，其中σａ 表示應(yīng)力幅，σ′ｆ 表示疲勞強(qiáng)度系數(shù)，犖ｆ 表示試驗所得疲勞壽命，以 犖ｆ 為橫坐標(biāo)，以σａ為縱坐標(biāo)繪制超聲疲勞犛犖 曲線。由于超聲疲勞試驗具有很高的頻率，頻率的影響使得這些材料的超聲疲勞犛犖 曲線沿縱坐標(biāo)軸向上移動，因此需要考慮超聲頻率影響因子λ的影響，并對其結(jié)果進(jìn)行修正，其中λ為常規(guī)疲勞應(yīng)力幅與超聲疲勞應(yīng)力幅的比值［１３］。

１．５ 紅外熱像技術(shù)疲勞試驗方法

１．５．１ 試驗方法及試樣類型

為縮短試驗時間、減少試驗成本，能量方法成為疲勞試驗研究的重要方法之一。金屬材料的疲勞是一個耗散能量的過程，而溫度變化則是研究疲勞過程能量耗散極為重要的參量［１５］。紅外熱像技術(shù)是一種波長轉(zhuǎn)換技術(shù)，即將目標(biāo)的熱輻射轉(zhuǎn)換為可見光的技術(shù)，利用目標(biāo)自身各部分熱輻射的差異獲取二維可視圖像，用計算機(jī)圖像處理技術(shù)和紅外測溫

標(biāo)定技術(shù)，實現(xiàn)對物體表面溫度場分布的顯示、分析和精確測量［１６］。試驗一般在高頻疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行，紅外熱像儀的精度滿足１００ ℃時誤差不大于±０．１℃。試驗所用材料通常為表面鍍鋅、經(jīng)過正火處理的金屬材料，為增大金屬表面的比輻射率，試驗時通常在試樣表面涂上很薄的一層紅外透射涂料。

試樣按疲勞試驗機(jī)的正規(guī)板樣要求及紅外熱像測試需要設(shè)計，符合 ＧＢ／Ｔ３０７５－２００８《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》［１７］規(guī)定，試樣尺寸及形狀如圖３（ａ）所示。

１．５．２ 試驗步驟及數(shù)據(jù)處理

紅外熱像技術(shù)疲勞試驗一般按如下步驟進(jìn)行：①按要求安裝試樣；②參數(shù)設(shè)置；③施加略低于材料疲勞極限的載荷，通過紅外熱像儀實時觀察試樣表面溫度變化，記錄穩(wěn)定的溫升值；④逐漸增大工作載荷，記錄不同載荷水平、不同時刻的熱圖像和穩(wěn)定的溫升值；⑤直到試樣斷裂停止試驗。

將所得試驗數(shù)據(jù)以所加載的應(yīng)力載荷為橫坐標(biāo)，以相對的溫升值為縱坐標(biāo)繪制出相應(yīng)的應(yīng)力幅值與試樣溫升值關(guān)系曲線，如圖７所示。在工作載荷高于疲勞極限的情況下，非塑性效應(yīng)和塑性效應(yīng)共同主導(dǎo)著試樣疲勞過程的熱耗散，引起試樣表面溫度較大幅度升高；在工作載荷接近疲勞極限時，主導(dǎo)溫度變化的機(jī)制復(fù)雜，引起試樣表面溫升的機(jī)制有所轉(zhuǎn)變。因此在工作載荷遠(yuǎn)離疲勞極限時，引起試樣表面溫升的疲勞機(jī)制相對單一、明確。故一般取前３個數(shù)據(jù)和最后４個數(shù)據(jù)分別利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，Ｌｕｏｎｇ［１８］認(rèn)為兩條直線的交點所對應(yīng)的橫坐標(biāo)數(shù)軸即為材料的疲勞極限。

２ 結(jié)束語

由于疲勞機(jī)理和疲勞理論研究進(jìn)展緩慢，疲勞問題主要靠疲勞試驗解決，目前雖然有很多種疲勞試驗方法，但這些試驗方法均有一定的局限性和不足，例如一些常規(guī)試驗方法比較費(fèi)時費(fèi)材料，試驗方法相對麻煩，而一些新型疲勞試驗方法相對發(fā)展不夠完善，操作麻煩，所需試驗設(shè)備比較昂貴且要求較高，故金屬材料疲勞試驗方法仍需繼續(xù)改進(jìn)和完善，可以使得試驗操作簡單，既不費(fèi)時費(fèi)材料，也不需要要求高精度昂貴的試驗設(shè)備，對一些特殊環(huán)境下的材料可以探索出更好的疲勞試驗方法，這將是今后探索發(fā)展的目標(biāo)。

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-腐蝕與防護(hù)）