金属材料疲劳检测中常用的试验方法及操作流程

金属材料在循环载荷下的疲劳破坏是机械装备失效的主要诱因（约占80%），直接影响产品安全性与使用寿命。疲劳检测通过模拟实际工况的循环应力，定量评估材料的抗疲劳性能（如疲劳极限、S-N曲线），是材料研发、质量控制及失效分析的核心环节。本文聚焦金属材料疲劳检测中最常用的6类试验方法，逐一拆解各方法的原理、适用场景及详细操作流程，并提炼试验过程中的关键控制要点，为行业工程师提供可落地的实操指南。

试样制备的基本要求

试样是疲劳试验的基础，其质量直接决定结果可靠性。金属疲劳试样需与试验方法匹配：旋转弯曲用圆棒（直径6-10mm，GB/T 4337-2015），轴向拉压用圆棒/板状（板厚2-4mm、宽10-20mm），三点弯曲用矩形板（厚3-5mm、宽15-25mm）。

表面处理是关键：需经砂轮粗磨→金相砂纸细磨（200#-1200#）→抛光布抛光，最终粗糙度Ra≤0.2μm微小划痕或毛刺会成为裂纹萌生源，导致结果偏低30%以上。例如，未抛光的45钢试样，其疲劳寿命较抛光试样缩短40%。

尺寸公差需严格控制：圆棒直径公差≤±0.02mm，板状厚度公差≤±0.01mm；热处理状态需与实际零件一致（如渗碳淬火齿轮试样需同工艺处理），避免组织差异引入误差。

旋转弯曲疲劳试验及操作流程

旋转弯曲疲劳试验模拟轴类零件（曲轴、传动轴）工况，产生对称循环应力（R=-1），适用于高循环疲劳（≥10^5次）。原理是试样绕轴线旋转，表面纤维交替受拉/压应力。

操作检查设备启动JL-100型试验机，观察主轴振动（轴承间隙0.01-0.02mm）、砝码系统磨损情况；计数器需正常计数。

安装试样圆棒装夹在三爪卡盘间，用千分表校准同轴度（径向跳动≤0.02mm），超标需调整卡盘或换样，避免附加离心应力。

载荷计算若试样直径6mm、跨距100mm、弯曲应力300MPa，载荷P=σ×πd³/(32L)=300×π×6³/(32×100)≈191N（对应砝码19.5kg）。

启动试验挂砝码后开启旋转（转速3000r/min，45钢常用），每30分钟用5倍放大镜观察表面；发现0.1mm以上裂纹记录萌生次数Ni，未断裂则试验至10^7次（无限寿命）。

终止与记录试样断裂后计数器停止，记录断裂循环次数Nf；测量裂纹长度（表面至断口中心），标记疲劳源（多在表面缺陷处）。

轴向拉压疲劳试验及操作流程

轴向拉压疲劳试验模拟拉杆、活塞杆工况，可调节应力比R（0.1、-1等），适用于低/高循环疲劳综合评估。原理是液压/伺服系统对试样施加周期性拉压载荷，应力分布均匀。

操作前校准：用标准力传感器（精度0.1%）校准MTS 810型试验机，确保力值误差≤±1%。

试样装夹：圆棒用螺纹夹头（M10×1.5），板状用楔形夹头（贴防滑橡胶）；施加10%预载荷（如100kN满量程预加10kN），检查载荷-位移曲线线性（无拐点则接触紧密）。

载荷设定：若Pmax=100kN、Pmin=10kN（R=0.1），频率10Hz（室温常用）；圆棒直径10mm时，σmax=Pmax/(πd²/4)=100000/(π×10²/4)≈1274MPa。

试验运行：启动循环载荷，用声发射传感器（PAC R15型）监测裂纹信号超100dB时记录萌生次数；试样断裂或至10^7次终止，记录断口形貌（低循环有韧窝，高循环有疲劳纹）。

三点弯曲疲劳试验及操作流程

三点弯曲疲劳试验模拟梁类零件（机床导轨、桥梁钢）工况，适用于板状/圆棒试样。原理是试样放两支点上，中点受周期性载荷，跨中产生最大弯曲应力（σmax=3PL/(2bh²)）。

操作试样放置矩形板（100mm×20mm×4mm）放支点上，间距L=80mm（20倍板厚，GB/T 6398-2017）；上压头对准中点，偏差≤0.5mm（避免不对称弯曲）。

载荷计算若σmax=250MPa，板宽20mm、厚4mm，P=250×2×20×4²/(3×80)≈667N；设定“拉-零-拉”循环（R=0），频率5Hz（防共振）。

预加载3次循环预载荷（667N→0），观察曲线线性；有拐点需调整试样（垫高支点或打磨底面）。

试验运行启动循环，用位移传感器测跨中挠度（从0.5mm增至1.0mm时裂纹扩展）；未断裂至10^7次终止，断裂试样断口呈“V”形，扩展区有平行疲劳纹（间距2-5μm）。

扭转疲劳试验及操作流程

扭转疲劳试验模拟轴类扭转工况（汽车半轴、旋翼轴），产生剪应力循环。原理是主动卡盘旋转、从动卡盘固定，试样受周期性扭矩，剪应力τ=T×r/J。

操作前校准：用标准扭矩砝码（10N·m、50N·m）校准试验机，扭矩误差≤±1%。试样用圆棒（直径8mm、长120mm），装夹同轴度≤0.03mm。

扭矩设定：若τ=150MPa，d=8mm，T=150×π×8³/16≈15.1N·m；设定“正转-反转”循环（R=-1），转速200r/min（防过热）。

试验运行：启动扭矩循环，用扭转应变片监测扭转角从5°增至10°时裂纹扩展，记录次数；断裂试样断口呈螺旋状（45°方向），疲劳源处有滑移带（塑性）或解理面（脆性）。

高频振动疲劳试验及操作流程

高频振动疲劳试验利用电磁激励使试样共振，产生高频应力（500-2000Hz），适用于快速评估高循环疲劳（≥10^6次）。原理是共振时振幅最大，应力达到设定值（σ=π²Eδf²/L²）。

试样设计：片状悬臂梁（100mm×10mm×1mm），固有频率f0=√(E/ρ)/(2L)=√(200×10^9/7850)/(2×0.1)≈1790Hz（匹配试验机范围）。

安装与调试：试样一端固定在振动台（螺栓扭矩5N·m），用加速度传感器测自由端振幅1790Hz时δ=0.1mm，σ≈600MPa（高循环应力）；调试频率至共振点（加速度信号最大）。

试验运行：开启冷却风扇（降温至≤50℃），监测振幅与温度振幅从0.1mm降至0.05mm时裂纹萌生，记录次数；未断裂至10^8次终止，断口有夹杂物（Al2O3，≥10μm）疲劳源。

试验过程中的关键控制要点

1、装夹精度：旋转弯曲同轴度≤0.02mm、轴向拉压≤0.03mm，否则附加应力会缩短寿命20%-50%；例如，同轴度0.05mm的45钢试样，寿命低40%。

2、载荷稳定性：液压/伺服系统载荷波动≤±2%，否则结果离散性大（CV从5%增至15%）；需定期校准传感器。

3、温度控制：室温试验温度≤50℃（高频≤40℃），避免材料热软化45钢60℃下寿命较25℃低30%。

4、裂纹监测：声发射阈值40-60dB（依环境调整），应变片阈值0.1%（塑性）/0.05%（脆性）；阈值过高会错过早期裂纹。

5、断口保护：断裂试样立即放入干燥器（硅胶干燥剂），避免氧化铝合金断口氧化后疲劳纹会被掩盖，无法识别疲劳源。