金属材料疲劳检测中轴向拉伸疲劳试验的操作步骤

轴向拉伸疲劳试验是金属材料疲劳性能评估的核心手段，通过模拟材料在周期性轴向拉应力下的服役状态，精准测定其疲劳寿命，广泛应用于航空航天、汽车制造等对可靠性要求极高的领域。试验操作的规范性直接决定数据准确性——从试样制备到断口分析，每一步都需严格遵循标准，避免因操作偏差导致对材料疲劳性能的误判。

试样制备：标准导向下的精度控制

轴向拉伸疲劳试样需依据GB/T 3075《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》或ASTM E466标准制备。常见圆形试样直径多为6mm或10mm，标距长度取3倍或5倍直径；矩形试样则采用12mm宽、3mm厚的尺寸，标距50mm。尺寸公差需严格控制在±0.02mm内，若截面不均，会在试验中形成局部应力集中，加速裂纹萌生。

试样表面处理是关键：需用2000目砂纸逐次打磨至Ra≤0.8μm，彻底去除划痕、刀痕或氧化皮——这些缺陷会成为疲劳裂纹的“起点”，显著缩短疲劳寿命。对于热处理后的材料，还需进行200-300℃、1-2小时的去应力退火，消除加工过程中残留的内应力，避免试验中应力叠加。

制备完成后需通过涡流探伤排查内部缺陷：若夹杂物面积超过试样截面积1%，或存在气孔、缩松，试样需直接报废——内部缺陷会在循环应力下快速扩展，导致试验结果偏离材料真实性能。

设备检查：校准与匹配性确认

试验前需确认设备处于检定有效期内：电液伺服或电磁谐振试验机的载荷精度需达0.5级，载荷传感器、引伸计需每年校准一次。引伸计需匹配试样应变范围——比如金属材料疲劳应变多在0.1%-0.5%，需选择量程0-1%的引伸计，避免量程过大导致测量误差。

夹具需与试样类型匹配：圆形试样用楔形夹具，矩形试样用平口夹具，螺纹试样则用对应规格的螺纹夹具。夹具夹持面需彻底清洁，无油污、锈蚀或磨损——若夹持面有磨损，会导致试样滑移，产生附加弯矩，使试验结果偏短。

试验机同轴度需用对中棒检查：将对中棒插入上下夹具，若偏差超过0.1mm，需调整夹具位置——同轴度不佳会使试样承受拉-弯复合应力，破坏纯轴向拉伸的试验条件。

试样安装：同轴与夹持力的平衡

安装前需用酒精擦拭试样表面与夹具夹持面，去除油污和灰尘。圆形试样可借助定心套辅助对中：将定心套套在试样两端，插入上下夹具后移除，确保试样轴线与试验机轴线完全重合。

夹持力需“适中”：楔形夹具需缓慢加压至试样无法移动，避免压力过大导致试样变形；螺纹夹具需用扭矩扳手按15N·m（M10螺纹）均匀拧紧，防止螺纹受力不均导致试样断裂在夹持段。安装后需用手轻晃试样，确认无松动。

引伸计安装需精准：将其两臂夹持在试样标距段（避开夹具或过渡区），确保与试样表面接触良好但无额外压力——若安装过紧，会限制试样自由变形；若过松，则可能在试验中脱落，导致应变数据丢失。

参数设定：贴合应用场景的量化

核心参数需结合材料用途设定：应力比R（σmin/σmax）是关键——拉-拉疲劳常用R=0.1（汽车弹簧钢）或0.5（航空铝合金）；最大应力σmax需控制在屈服强度的50%-80%，比如低碳钢σs=350MPa时，σmax可取200-280MPa，避免试样发生塑性变形。

频率选择需兼顾效率与温度：金属材料常用10-30Hz，频率过高会导致试样发热——铝合金在50Hz以上频率下，温度会升高10-20℃，加速裂纹扩展；频率过低则会延长试验周期，降低效率。

循环次数目标按标准设定：若试样循环10^7次未断裂，判定为“无限寿命”。数据采集间隔设为每1000-5000次循环一次，便于后续绘制S-N曲线（应力-寿命曲线）。参数输入后需进行“试运行”：用50MPa、10次循环验证设备是否按设定运行，无异常再保存方案。

预试验：排除安装与设备隐患

预试验是正式试验的“试金石”，参数取正式试验σmax的50%，循环5-10次。启动后观察载荷曲线是否平滑（波动≤±1%）、应变读数是否稳定（变化≤±0.01%）——若载荷波动过大，需检查夹具是否松动或试样对中情况；若应变异常，需重新安装引伸计。

预试验后需卸载试样检查：若表面有压痕，说明夹持力过大，需调松夹具；若标距段变形，说明预加载应力过高，需降低至0.3σmax。只有预试验无异常，才能进入正式试验。

正式试验：实时监控与异常处理

正式试验启动后，试验机进入自动循环，操作人员需紧盯三个指标：载荷曲线是否恒幅（波动≤±1%）、应变曲线是否与应力同步、循环次数是否正常累加。过程中不得触碰设备或调整参数——触碰引伸计会导致应变数据错误，调整夹具会引发应力突变。

定期检查设备状态：液压试验机需关注液压油温度（≤60℃），电磁试验机需监控线圈温度（≤80℃），若温度超标，需暂停试验待冷却。若设备报警（过载、超程或引伸计脱落），需立即按下紧急停止按钮：过载可能是试样断裂，超程需更换引伸计，脱落则重新安装。

试验终止：数据记录与试样卸载

当试样断裂（循环次数Nf<10^7）或达到10^7次未断裂时，试验终止。终止时需缓慢降载至零，避免突然卸载导致试样弹出或设备冲击。随后依次卸载引伸计和试样，注意保护试样断口。

数据记录需完整：包括试样编号、材料牌号、试验日期、R值、σmax、频率、Nf、最大应变，以及试验中出现的异常（如载荷波动、温度超标）。数据需存入专用表格，为后续S-N曲线绘制提供基础。

断口分析：补充疲劳失效的“证据链”

断口是材料疲劳失效的“现场”：用体视显微镜（10-50倍）观察，疲劳源多位于表面划痕或内部夹杂物处，表现为小凹坑；扩展区有明显的贝纹线（循环载荷的痕迹）；瞬断区则呈现韧窝（韧性断裂）或解理面（脆性断裂）。

比如，若疲劳源在表面划痕处，说明试样制备的表面缺陷是主因；若在内部夹杂物处，则指向材料冶金质量问题。断口分析结果需写入试验报告，与疲劳寿命数据相互印证，提升结果可靠性。

分析完成后，断口需用酒精清洁，放入干燥器保存——若需扫描电镜进一步观察微观形貌，需密封试样，避免氧化或污染。