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

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力σ２＝（０．４０～０．４５）σｂ，重復步驟③～⑤測得疲勞壽命 犖２，若 犖２＜１０７ 次，則應

降低應力再重復步驟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

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

數據處理通常按以下方式進行：當與σ６ 相應的犖６＜１０７ 次，疲勞極限在σ２ 與σ６ 之間，這時取σ７＝１／２（σ２ ＋σ６）再進行試驗；當與σ６ 相應的 犖６ ＞１０７ 次，取σ７＝１／２（σ５＋σ６）再進行試驗。疲勞極限確定按表１所示，其中σ７－σ２ 和σ７－σ６ 均應滿足小于控制精度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構疲勞極限的一種比較常用而又精確的方法，在常規疲勞試驗方法測定疲勞強度的基礎上或在指定壽命的材料或結構的疲勞強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度。升降法疲勞試驗主要用于測定中、長壽命區材料或結構疲勞強度的隨機特性。所需試驗機一般為拉壓疲勞試 驗 機，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％。夾具的中心線應盡量與試驗機的施力軸線重合，以確保沿試樣軸線無間隙地準確傳遞循環載荷。對于同一批試樣，應在相同頻率下進行試驗，頻率相差過大，可能對試驗結果有影響。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 ＧＢ／Ｔ３０７５－２００８《金屬材料 疲勞試驗軸向力控制方法》規定，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 試驗步驟及數據處理

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

試驗參數，如動載荷、頻率、循環次數、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應力，波形為正弦波；④終止試驗，試樣在規定循環應力下，通常一直連續試驗至試樣失效或規定循環次數。在處理試驗結果時，將出現第一對相反結果以前的數據舍棄。以犞犻 表示在第犻級應力水平σ犻 下進行的試驗次數，狀表示有效試驗總次數，犿 表示升降應力水平的級數，則疲勞強度σ的一般表達式可寫為：

試驗最好在４級應力水平下進行。當完成了第６或第７根試樣的試驗后，就可以按照上式開始計算σ值，并陸續計算出第８，９，１０，…根試樣試驗后的疲勞強度值。當這些疲勞強度數值的變化越來越小，趨于穩定時，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度值作為欲求的疲勞強度。

采用升降法測定疲勞強度的關鍵，在于應力增量Δσ的選取。一般來說，應力增量最好選擇在４級應力水平下進行。當已知由常規疲勞試驗法測定的疲勞強度時，可取５％以內的疲勞強度作為應力增量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境狀態下的疲勞損傷。高頻振動試驗利用試驗器材產生含有循環載荷頻率為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、高循環環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常規疲勞試樣和超聲疲勞試樣設計成如圖１所示形狀，其材料一般選用高強度鋼。

１．３．２ 試驗步驟及數據處理

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

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

采用回歸分析的方法進行曲線擬合，將同一種材料不同應力比或不同平均應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度與疲勞壽命關系，得到疲勞試驗結果

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）遠遠超過常規疲勞測試頻率（小于２００Ｈｚ）。超聲疲勞試驗可以在不同載荷特征、不同環境和溫度等條件下進行，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為彈性的，所以在損傷本構關系中采用應力、應變等參量的彈性關系處理，而不涉及微塑性［１２］。所需儀器主要包括以下３部分：①超聲頻率發生器，將超聲正弦波電信號由５０Ｈｚ轉變為２０ｋＨｚ；②壓力陶瓷換能器，

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

超聲疲勞試樣的設計必須滿足試驗系統諧振條件，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。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；f為系統振動頻率；ρ為試樣密度；Ed為材料的動態彈性模量。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，材料服從胡克定律。振動時試樣中間截面的應變和應力計算公式分別為：

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。可見試樣中間截面的應力和應變與 A０ 成正比，超聲疲勞試驗是通過控制端部位移幅值A０ 實現的。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：

根據梁的橫力彎曲正應力及撓度關系，可得到三點彎曲試樣中間截面的最大正應力與外加位移幅值A０ 的關系為:

故當試樣材料及幾何尺寸確定后，便可由外加幅值 犃０ 確定最大正應力。

１．４．２ 試驗步驟及數據處理

超聲法疲勞試驗一般按如下步驟進行：①對所測試樣進行測量校準；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行參數設置；④開始試驗，啟動開關將試驗頻率加速至超聲頻率后記錄下試驗數據。將所得數據用Ｂａｓｑｕｉｎ方程λ來描述，其中σａ 表示應力幅，σ′ｆ 表示疲勞強度系數，犖ｆ 表示試驗所得疲勞壽命，以 犖ｆ 為橫坐標，以σａ為縱坐標繪制超聲疲勞犛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，并對其結果進行修正，其中λ為常規疲勞應力幅與超聲疲勞應力幅的比值［１３］。

１．５ 紅外熱像技術疲勞試驗方法

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］。紅外熱像技術是一種波長轉換技術，即將目標的熱輻射轉換為可見光的技術，利用目標自身各部分熱輻射的差異獲取二維可視圖像，用計算機圖像處理技術和紅外測溫

標定技術，實現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上進行，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。

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

１．５．２ 試驗步驟及數據處理

紅外熱像技術疲勞試驗一般按如下步驟進行：①按要求安裝試樣；②參數設置；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定的溫升值；⑤直到試樣斷裂停止試驗。

將所得試驗數據以所加載的應力載荷為橫坐標，以相對的溫升值為縱坐標繪制出相應的應力幅值與試樣溫升值關系曲線，如圖７所示。在工作載荷高于疲勞極限的情況下，非塑性效應和塑性效應共同主導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，主導溫度變化的機制復雜，引起試樣表面溫升的機制有所轉變。因此在工作載荷遠離疲勞極限時，引起試樣表面溫升的疲勞機制相對單一、明確。故一般取前３個數據和最后４個數據分別利用最小二乘法進行線性擬合，Ｌｕｏｎｇ［１８］認為兩條直線的交點所對應的橫坐標數軸即為材料的疲勞極限。

２ 結束語

由于疲勞機理和疲勞理論研究進展緩慢，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，例如一些常規試驗方法比較費時費材料，試驗方法相對麻煩，而一些新型疲勞試驗方法相對發展不夠完善，操作麻煩，所需試驗設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改進和完善，可以使得試驗操作簡單，既不費時費材料，也不需要要求高精度昂貴的試驗設備，對一些特殊環境下的材料可以探索出更好的疲勞試驗方法，這將是今后探索發展的目標。

（文章來源：材料與測試網-腐蝕與防護）