疲劳试验是什么？怎么做？一篇看懂原理、方法、标准与应用要点

疲劳断裂是机械装备最常见的失效模式之一，占工程失效的80%以上。在航空发动机叶片、汽车曲轴、风电主轴、高铁轮轴、桥梁结构、压力容器焊缝、医疗植入物等领域，材料在远低于静拉伸强度的循环应力下，经过数千到数百万次循环后突然脆断，往往无明显预兆，后果灾难性。疲劳试验（Fatigue Test）正是通过模拟实际服役条件下的循环加载，测定材料的疲劳极限、S-N曲线、疲劳寿命、裂纹扩展速率等关键指标，已成为高端装备材料选型、寿命设计、安全评估、工艺优化、质量验收和失效分析中最具决定性的检测项目。准确的疲劳数据，直接关系到产品设计寿命、服役安全与维护周期。

疲劳试验概述

疲劳试验是在受控条件下对试样或构件施加循环载荷（应力或应变控制），记录循环次数与断裂关系，评价材料抗疲劳性能的试验。主要输出包括：

疲劳极限（疲劳强度）：无限寿命对应的最大应力（通常10^7次循环）
S-N曲线：应力-循环次数曲线（高周疲劳）
ε-N曲线：应变-循环次数曲线（低周疲劳）
疲劳寿命：特定应力/应变下的断裂循环次数
疲劳裂纹扩展速率（da/dN）与门槛值（ΔKth）

疲劳试验按循环特性分为高周疲劳（>10^4–10^7次，弹性为主）和低周疲劳（<10^4次，塑性为主），按加载方式分为旋转弯曲、轴向拉压、扭转、三点/四点弯曲等。

常见疲劳试验类型及原理

旋转弯曲疲劳试验

最经典、最常用。原理：试样旋转，受恒定弯矩作用，表面应力交变。适用于圆棒试样，测定S-N曲线和条件疲劳极限。

轴向拉压疲劳试验

应力控制或应变控制，模拟拉压循环。适用于板材、焊缝、复杂几何试样，高周/低周均可。

低周疲劳试验

大应变幅、低循环次数（通常<10^4次），应变控制为主，评估塑性疲劳寿命（如发动机热端部件）。

疲劳裂纹扩展试验

预制裂纹试样（如CT、SENB），恒ΔK或恒载荷，测da/dN–ΔK曲线、门槛值ΔKth、断裂韧性KIC。

其他专项

高温疲劳、腐蚀疲劳、多轴疲劳、接触疲劳、振动疲劳、随机载荷疲劳等。

应用领域

航空航天：涡轮叶片、盘、起落架的高周/低周疲劳寿命验证
汽车：曲轴、连杆、弹簧、轮毂的旋转弯曲与轴向疲劳
风电/高铁：主轴、齿轮箱、车轴的高循环疲劳与裂纹扩展
压力容器/管道：焊缝疲劳寿命与裂纹扩展速率评估
医疗器械：人工关节、骨板、牙种植体的疲劳耐久性
桥梁/钢结构：高强钢焊缝疲劳性能与剩余寿命预测
失效分析：疲劳断口特征、裂纹源、扩展路径判定

典型疲劳试验流程（以旋转弯曲疲劳为例）

步骤：

试样制备：按标准加工光滑圆棒或带缺口试样，表面粗糙度Ra≤0.4μm，无划痕、无脱碳
尺寸测量：精确测量危险截面直径
仪器校准：使用标准砝码或力传感器校准载荷，频率通常50–200Hz
安装试样：确保对中、无偏心，施加恒定弯矩
试验运行：设定应力水平，连续运行至断裂或达到规定循环次数（如10^7次）
多应力水平测试：至少5–8个应力级，每级3–5个平行样，绘制S-N曲线
断口分析：扫描电镜观察疲劳源、扩展区、瞬断区特征
结果处理：统计疲劳极限、中值寿命、Weibull分布，报告S-N曲线

常见问题与注意事项

试样表面质量：划痕、脱碳、加工硬化是疲劳源，需严格控制
对中误差：偏心导致额外弯曲应力，寿命大幅缩短
频率影响：高频测试可能升温，影响结果；低频测试耗时长
统计分散性：疲劳寿命离散大，需足够平行样和统计处理
载荷控制精度：应力波动>±2%会显著影响数据可靠性
高温/腐蚀环境：需专用高温炉或腐蚀介质装置，模拟真实工况
标准适用性：航空、核电、汽车对疲劳极限要求和安全系数差异极大

总结

疲劳试验是材料“寿命体检”的终极手段，它将静强度无法揭示的循环损伤累积过程转化为可量化的S-N曲线、疲劳极限和裂纹扩展行为。通过规范试样制备、精确载荷控制、严格执行GB/T 3075、ASTM E466/E647、ISO 1099等标准，并结合断口分析，可以准确预测材料在实际服役条件下的疲劳寿命与安全裕度，帮助企业优化设计、选材、工艺，避免“静强度合格却疲劳断裂”的悲剧。无论是高周疲劳的无限寿命设计，还是低周疲劳的有限寿命评估，专业的疲劳试验数据都是高端装备安全可靠的基石。

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