疲劳试验怎么做？有哪些原理方法和标准？

疲劳试验是一种用于评估材料、结构或组件在反复加载和卸载条件下抵抗破坏的能力的测试方法。它模拟了实际使用中可能遇到的周期性应力，以预测产品在长期服役期间是否会因疲劳而失效。疲劳试验广泛应用于航空航天、汽车、桥梁、机械制造等多个行业，确保产品的安全性和可靠性。这种试验在工程领域非常重要，因为它可以帮助预测产品在实际使用中的寿命，并识别潜在的故障点。

疲劳试验的基本原理

1. 定义

• 疲劳现象：当材料或结构受到交变载荷作用时，即使最大应力远低于其静态强度极限，也可能逐渐产生微观裂纹，并最终导致断裂或失效。

• 疲劳寿命：指材料或结构从开始承受交变载荷到发生破坏前所经历的循环次数或时间。

2. S-N曲线（Stress-Life Curve）

• 描述：也称为Wöhler曲线，表示应力幅值与对应疲劳寿命之间的关系。通常通过实验数据绘制而成，是进行疲劳分析的重要工具。

• 特征点：

• 疲劳极限：对于某些金属材料，在特定条件下存在一个临界应力水平以下，材料可以无限次循环而不发生疲劳失效。

• 条件疲劳极限：当无法确定明确的疲劳极限时，取某个较低概率下的应力作为参考值。

3. 疲劳损伤累积理论

• Miner线性累积损伤法则：假设每次循环造成的损伤是独立且可叠加的，即总损伤等于各次循环损伤之和。当总损伤达到1时，认为材料即将失效。

4. 应变控制 vs 应力控制

• 应变控制：指在疲劳试验中，通过控制试样的应变幅度来实现交变加载，适用于低周疲劳（高应力水平下的少量循环）。

• 应力控制：指通过控制施加于试样的应力幅度来进行交变加载，适用于高周疲劳（低应力水平下的大量循环）。

5. 疲劳寿命

• 定义：指材料或结构从开始承受交变载荷到发生破坏前所经历的循环次数或时间。

• 分类：

• 高周疲劳：发生在低应力水平下，具有较长的疲劳寿命（通常超过10^5次循环）。

• 低周疲劳：发生在高应力水平下，具有较短的疲劳寿命（通常少于10^5次循环）。

疲劳试验的主要类型

1. 拉-压疲劳试验

• 应用场景：适用于轴类零件、螺栓连接件等承受轴向交变载荷的情况。

• 加载方式：施加正弦波形或其他形式的周期性拉伸和压缩力，记录不同应力水平下的疲劳寿命。

2. 弯曲疲劳试验

• 应用场景：主要用于梁、齿轮等受弯矩作用的部件。

• 加载方式：通过四点弯曲、三点弯曲等方式对试样施加交变弯矩，观察其变形和断裂行为。

3. 扭转疲劳试验

• 应用场景：针对传动轴、螺旋桨等旋转部件设计。

• 加载方式：对试样施加纯扭转载荷或复合扭转载荷，研究其抗扭疲劳特性。

4. 复杂应力状态下的疲劳试验

• 应用场景：如飞机起落架、发动机叶片等承受多方向、多模式交变载荷的复杂结构。

• 加载方式：采用多轴加载装置，同时施加拉伸、压缩、剪切等多种类型的交变应力，更真实地模拟实际工况。

疲劳试验分类：

- 高周疲劳：施加的循环应力水平较低，循环次数较高。

- 低周疲劳：施加的循环应力水平较高，循环次数较低。

- 其他分类：根据材料性质（金属疲劳试验和非金属疲劳试验）、工作环境（高温疲劳试验、腐蚀疲劳试验等）进行分类。

疲劳试验的对象与方法

疲劳试验的对象广泛，包括金属材料（如钢、铝合金、钛合金等）、机械部件（如轴承、齿轮、弹簧等）、焊接件、复合材料（如碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等）、电子元器件以及航空航天、汽车制造、建筑结构等领域中的关键部件。

试验方法多种多样，通常根据测试对象的不同而采用不同的测试方法。常见的疲劳试验方法包括低周疲劳测试、热机械疲劳测试、腐蚀疲劳测试、振动疲劳测试、弯曲疲劳测试、接触疲劳测试以及多轴疲劳测试等。这些测试方法能够模拟材料或结构在实际使用中的各种受力情况，从而更准确地评估其疲劳性能。

疲劳试验设备与仪器

进行疲劳试验需要使用专业的检测仪器和设备。其中，疲劳试验机是进行疲劳测试的核心设备，能够施加循环载荷并精确控制应力或应变。此外，还需要应力应变测量系统、温度控制系统、腐蚀疲劳测试装置、振动台以及裂纹监测系统等辅助设备来实时监测测试过程中的各种参数变化。

疲劳试验的操作步骤

1. 试验准备

• 选择标准：根据产品类型和应用领域，选择适用的国际或国家标准，如ASTM E466、ISO 12106等。

• 确定参数：设定试验应力范围、频率、波形、环境条件等关键参数，确保与实际使用情况相符。

• 样品制备：按照标准要求加工标准试样或直接使用成品件；注意表面处理、尺寸精度等因素的影响。

2. 安装与调试

• 固定试样：将试样牢固地安装在试验机上，确保试样与试验机主轴保持良好的同轴性，加载点准确无误。

• 校准设备：检查试验机、传感器、数据采集系统等工作状态，保证测量精度和可靠性。

• 预加载测试：进行少量预加载循环，确认整个系统的正常运行，排除潜在问题。

3. 启动试验

• 设置程序：输入预定的试验参数，包括应力水平、频率、循环次数等，启动试验程序。

— 进行静力试验：对试样进行拉伸试验，测量其屈服强度和抗拉强度，以便确定疲劳试验的具体参数。

— 进行疲劳试验：按照设定的参数对试样施加交变载荷，记录试样的疲劳寿命（即试样在交变载荷作用下达到破坏所需的循环次数）。

• 实时监控：利用计算机软件或专用仪器，实时监测并记录试验过程中产生的各种数据，如应力-应变曲线、位移变化等。

• 异常处理：一旦发现异常情况（如噪声增大、振动加剧），立即暂停试验，查找原因并采取相应措施。

4. 结束试验

• 终止条件：根据试验目的，可以选择达到预定循环次数后自动停止，或者当试样出现明显损伤（如裂纹扩展、断裂）时手动终止。

• 取出试样：小心拆卸试样，避免对其造成额外损害；对于未完全破坏的试样，还需进一步分析剩余寿命。

5. 结果分析

• 数据处理：整理试验数据，计算疲劳寿命、平均应力、疲劳强度等重要指标。

• 统计分析：运用概率统计方法，如Weibull分布、Lognormal分布等，评估疲劳寿命的分散性。

• 失效模式分析：通过宏观和微观手段（如扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM），研究试样的失效机制，为改进设计提供依据。

疲劳试验的应用实例

1. 汽车行业

• 车身框架：通过疲劳试验优化车身结构设计，提高车辆的安全性和耐用性。

• 悬挂系统：研究减震器、弹簧等部件的疲劳特性，确保行驶平稳性和舒适度。

2. 航空航天

• 飞机结构：对机翼、机身、起落架等关键部位进行疲劳试验，验证其在极端条件下的可靠性和安全性。

• 发动机叶片：模拟高空飞行环境，测试涡轮叶片在高温高压下的抗疲劳能力。

3. 土木工程

• 桥梁结构：评估桥梁在交通流量和自然因素（如风、地震）影响下的疲劳寿命，指导维护保养计划。

• 建筑构件：研究混凝土梁柱等基础构件的疲劳性能，确保建筑物的整体稳定性和耐久性。

4. 机械制造

• 齿轮传动：通过疲劳试验优化齿轮设计，减少磨损和噪音，延长使用寿命。

• 轴承：测试滚动轴承在不同工况下的疲劳极限，提升机械设备的工作效率和可靠性。

5. 材料研究：评估不同材料的疲劳性能，为材料选择和设计提供依据。

6. 产品质量控制：确保产品的质量和可靠性，减少因疲劳破坏导致的事故。

7. 医学应用：在临床中，疲劳试验可以用于辅助诊断某些疾病，如重症肌无力。

疲劳试验的相关标准

一、国际标准

1. ISO（International Organization for Standardization）

• ISO 12106: Metallic materials — Fatigue testing of metallic materials — Test methods for strain-controlled fatigue testing

• 适用范围：适用于金属材料的应变控制疲劳试验。

• 主要条款：

• 规定了应变控制疲劳试验的方法，包括试样尺寸、加载波形、频率等。

• 提供了数据记录、结果分析和报告编制的具体要求。

• ISO 1099: Metallic materials — Method of test for the determination of fatigue properties under uniaxial loading conditions

• 适用范围：适用于金属材料在单轴加载条件下的疲劳性能测定。

• 主要条款：

• 描述了如何进行拉-压疲劳试验，规定了试验机的选择、试样的制备及试验条件。

• 包含了S-N曲线的绘制方法和疲劳极限的确定。

2. ASTM（American Society for Testing and Materials）

• ASTM E466: Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials

• 适用范围：适用于金属材料的恒幅轴向疲劳试验。

• 主要条款：

• 详细说明了试验机的要求、试样的几何形状、加载方式以及试验过程中的注意事项。

• 提供了数据采集和处理指南，强调了对试验结果的统计分析。

• ASTM E606: Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing

• 适用范围：适用于金属材料的应变控制疲劳试验。

• 主要条款：

• 定义了应变控制疲劳试验的程序，包括试样尺寸、加载速率、温度等因素的影响。

• 涉及到循环应力-应变响应的测量和疲劳寿命的预测。

3. SAE（Society of Automotive Engineers）

• SAE J1097: Accelerated Life Test Procedure for Vehicle Components

• 适用范围：主要用于汽车零部件的加速寿命测试，其中包括疲劳试验部分。

• 主要条款：

• 规定了汽车零部件在模拟实际使用环境下的疲劳试验条件和方法。

• 强调了试验设计的合理性、数据记录的完整性以及结果解释的有效性。

二、中国国家标准

1. GB/T 3075-2008: 金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法

• 适用范围：适用于金属材料在轴向力作用下的疲劳试验。

• 主要条款：

• 规定了试验机的技术要求、试样的规格尺寸、加载波形、频率等参数。

• 提出了试验过程中应注意的问题，如温湿度控制、样品固定等。

• 包含了试验结果的表达方式和S-N曲线的绘制方法。

2. GB/T 3808-2018: 金属材料 疲劳试验 应力控制方法

• 适用范围：适用于金属材料在应力控制下的疲劳试验。

• 主要条款：

• 详细描述了应力控制疲劳试验的原理、设备选择、试样制备等内容。

• 对于不同类型的应力波形（正弦波、方波等），给出了具体的加载规范。

• 提供了疲劳寿命计算公式和S-N曲线的绘制指导。

3. GB/T 15248-2008: 金属材料 疲劳试验 应变控制方法

• 适用范围：适用于金属材料在应变控制下的疲劳试验。

• 主要条款：

• 规定了应变控制疲劳试验的基本原则、试验装置、试样要求等。

• 强调了循环应力-应变关系的测量和疲劳损伤累积模型的应用。

• 包含了疲劳寿命预测的方法和S-N曲线的修正规则。

三、行业特定标准

1. 航空工业

• ASME V&V 10-2006: Guide for Verification and Validation in Computational Solid Mechanics

• 适用范围：虽然不是直接的疲劳试验标准，但在航空航天领域广泛用于验证和确认计算力学模型，包括疲劳分析。

• 主要条款：

• 提供了计算模型与实验数据对比的方法，确保数值模拟结果的可靠性。

• 涉及到疲劳裂纹扩展、多轴疲劳等问题的处理。

2. 汽车行业

• PV 1205: Fatigue Testing of Vehicle Components

• 适用范围：专为汽车零部件设计的疲劳试验标准。

• 主要条款：

• 规定了汽车零部件在各种工况下的疲劳试验条件，如悬挂系统、传动轴等。

• 提供了疲劳寿命评估的方法和失效模式分析的技术。

3. 土木工程

• AASHTO TP62-06: Standard Test Method for Determining the Flexural Fatigue Properties of Hot-Mix Asphalt Concrete

• 适用范围：针对热拌沥青混凝土的弯曲疲劳性能测试。

• 主要条款：

• 描述了试样的制备、加载方式、试验环境等方面的要求。

• 提出了疲劳寿命的定义和S-N曲线的绘制方法。

不同行业和地区对于疲劳试验有着各自的标准和规范，这些标准不仅明确了试验的具体条件和流程，还提供了评估产品性能的依据。企业在选择适用的标准时，应当综合考虑自身产品的特性和目标市场的法规要求，确保试验结果具有代表性和权威性。随着技术的进步，相关标准也在不断更新和完善，为各行业的健康发展提供强有力的支持。

疲劳试验的重要性

1. 安全性评估

• 应用领域：广泛应用于航空航天、汽车、桥梁、机械制造等行业，确保关键部件在长期服役期间不会因疲劳而突然失效，保障人员和财产安全。

• 案例：例如飞机机翼、发动机叶片等承受复杂交变载荷的关键部位，必须经过严格的疲劳试验才能投入使用。

2. 设计优化

• 改进结构：通过疲劳试验发现潜在的设计缺陷，指导工程师调整结构形状、选择更合适的材料或改进制造工艺，从而提高产品的耐用性和经济性。

• 轻量化设计：现代工程追求减轻重量的同时保持足够的强度和刚度，疲劳试验可以帮助找到最佳平衡点。

3. 质量控制

• 出厂检验：作为产品质量保证的重要环节，疲劳试验能够筛选出不合格品，防止有缺陷的产品流入市场。

• 认证认可：许多行业标准和法规要求产品必须通过规定的疲劳试验，才能获得上市许可或国际认证。

享检测可以根据用户需求进行疲劳试验，该试验是通过施加循环载荷来模拟材料或结构在实际使用中的受力情况，从而评估其疲劳寿命和疲劳极限。