金属材料疲劳检测常用国家标准及执行规范内容

金属材料的疲劳性能是评估其在交变载荷下可靠性的核心指标，直接关系到机械、航空、汽车等领域结构件的使用寿命与安全。疲劳检测的准确性依赖于标准化的试验方法与执行规范，常用国家标准通过明确试样制备、设备要求、加载条件及数据处理等环节，为检测结果的一致性与可比性提供保障。本文将梳理金属材料疲劳检测中最常用的几项国家标准，详细解读其适用场景与执行要点，助力相关从业者准确应用规范开展检测工作。

GB/T 3075-2008《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》

GB/T 3075-2008是轴向力控制疲劳试验的基础标准，适用于金属材料在轴向交变拉压载荷下的疲劳性能测试，常见于评估连杆、活塞杆等承受轴向力的零件。标准中明确了两类试样：光滑试样与缺口试样，其中光滑试样的尺寸（如直径10mm时，平行长度50mm）、缺口试样的缺口形状（V型缺口根部半径0.25mm或U型缺口半径1mm）均有严格规定，目的是减少试样几何差异对结果的影响。

试验设备方面，标准要求使用轴向疲劳试验机，力传感器的精度需达到±1%，加载波形为正弦波，频率范围通常在10-30Hz之间。加载应力比R（最小应力与最大应力的比值）是关键参数，常见的R值为0.1（拉-拉循环）或-1（拉-压循环），需根据材料的实际应用场景选择——比如汽车连杆主要承受拉-压循环，R值应选-1；而航空发动机叶片的拉-拉循环，R值选0.1更合适。

执行要点上，试样加工精度是核心：光滑试样的平行长度需保证直线度≤0.02mm，表面粗糙度Ra≤0.4μm，以减少表面划痕或氧化皮对疲劳裂纹萌生的促进作用；缺口试样的缺口深度与角度需用工具显微镜检测，误差控制在±0.01mm以内，避免因缺口形状不规则导致应力集中系数偏差。试验过程中需监控试样温度，若温度升高超过10℃（如高强度钢在高频加载下易发热），需降低频率至5Hz以下，防止材料因热软化降低疲劳寿命。数据处理时，疲劳极限通过升降法确定——当8个连续试样在10^7次循环未断裂，对应的应力即为条件疲劳极限；疲劳寿命则采用威布尔分布统计，以50%存活率的寿命作为参考值。

GB/T 26077-2010《金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方法》

GB/T 26077-2010针对旋转弯曲疲劳试验，是轴类零件（如电机轴、汽车半轴）疲劳性能测试的主要依据。这类试验通过将试样一端固定，另一端施加弯矩并旋转，模拟轴类零件在工作中的交变弯曲载荷——比如汽车半轴在行驶中，每转一圈承受一次弯曲循环。标准中试样分为光滑圆棒与缺口圆棒两类，光滑试样的直径通常为6mm或10mm，缺口试样的缺口系数（Kt）需在2-5之间（如V型缺口根部半径0.25mm时，Kt约为3），以反映零件表面键槽、花键等特征的应力集中影响。

试验程序包括预加载与正式试验：预加载的应力为最大试验应力的10%-20%，循环5-10次，目的是消除试样安装间隙与初始应力——若不预加载，试样可能因安装偏心产生附加弯矩，导致试验结果偏短。正式试验时，转速控制在1000-10000rpm之间，需通过试验机的振动传感器避免共振（如某型电机轴试样的共振转速为6000rpm，需调整至5000rpm或7000rpm）。对于未断裂的试样，标准规定当循环次数达到10^7次时停止试验，此时的应力作为疲劳极限。

执行中需注意两点：一是试样的同心度，安装时需用百分表检测试样两端的径向跳动，误差≤0.02mm，否则会产生径向力，使弯曲疲劳变为弯扭组合疲劳；二是断裂位置的判定，若断裂发生在试样的夹持部分（如夹头与平行长度的过渡区）或非平行长度区域，试验结果无效，需重新加工试样测试。数据处理时，S-N曲线（应力-寿命曲线）需采用至少5个应力水平，每个水平测试3-5个试样，曲线的斜率（m值）反映材料的疲劳敏感性——m值越大，材料对 stress 变化越敏感，如铝合金的m值约为5-10，而高强度钢的m值可达15-20。

GB/T 15248-2008《金属材料 轴向等幅低循环疲劳试验方法》

GB/T 15248-2008适用于低循环疲劳试验，针对的是承受大应变交变载荷的场景（如汽轮机叶片、压力容器的热循环载荷），这类试验中材料的循环寿命通常在10^2-10^5次之间，以塑性变形为主——比如汽轮机叶片在启动-停机过程中，因温度变化产生的热应变循环，寿命可能只有几千次。标准采用应变控制方式，因为低循环疲劳时应力会随应变硬化或软化变化，力控制无法准确反映材料的实际状态。

试样尺寸根据材料的塑性调整：对于塑性较好的铝合金，采用直径10mm、标距25mm的试样（标距短可减少应变不均匀）；对于塑性较差的高强度钢，标距缩短至12.5mm。应变范围（Δε=εmax-εmin）是关键参数，常见的范围为0.5%-5%——比如压力容器的热应变范围约为1%，需选择对应的值。循环寿命Nf的定义有两种：一是试样断裂时的循环次数，二是当应变幅值下降到初始值的50%时的次数（适用于疲劳过程中产生显著塑性变形的材料，如低碳钢），需在试验前明确。

执行要点强调应变测量的精度：应变计的标距需与试样标距匹配（如25mm标距试样用20mm应变计），粘贴位置需在试样中心，避免因位置偏差导致应变测量误差；应变计的精度需达到±0.01%，否则会影响循环寿命的判定。试验温度需控制在室温±2℃，因为温度变化会显著影响材料的塑性——比如铝合金在30℃时的应变循环寿命比20℃时低15%左右。加载速率需保持恒定（如应变率10^-3/s），避免因速率过快导致材料加工硬化，增加疲劳寿命。

GB/T 6398-2017《金属材料 疲劳裂纹扩展速率试验方法》

GB/T 6398-2017用于测定金属材料的疲劳裂纹扩展速率（da/dN），是评估含裂纹结构件寿命的关键标准——比如航空发动机叶片上的微小裂纹，需通过da/dN计算其扩展到临界尺寸的时间。标准中规定了三种试样类型：紧凑拉伸试样（CT）、中心裂纹试样（M(T)）与单边裂纹试样（SE(B)），其中CT试样（如厚度B=12mm、宽度W=30mm）因装夹方便、裂纹扩展稳定，是最常用的类型。

试样制备的核心是预制裂纹：需先通过线切割加工出初始切口（深度为W的1/4-1/3，如W=30mm时，切口深度8mm），再用疲劳预裂的方法将切口扩展为尖锐裂纹（预裂循环次数≥10^4次，裂纹长度≥2mm），以模拟实际结构中的裂纹形态——若预裂不足，切口太钝会导致da/dN测量值偏低。试验加载为恒幅正弦波，应力比R通常为0.1（拉-拉循环），加载频率≤10Hz，避免试样发热（如高强度钢在10Hz以上加载时，裂纹尖端温度可升高至50℃，加速裂纹扩展）。

执行中，裂纹长度的测量是关键：常用方法有光学显微镜法（精度±0.1mm，适用于裂纹长度≥2mm）与电位法（精度±0.01mm，适用于小裂纹），需每隔500-1000次循环记录一次裂纹长度，直至裂纹扩展至W的80%或断裂。数据处理时，需计算应力强度因子范围ΔK（ΔK=Kmax-Kmin，K为应力强度因子），并绘制da/dN-ΔK双对数曲线——曲线分为三个阶段：门槛区（ΔK≤ΔKth，裂纹不扩展，如低碳钢的ΔKth约为15MPa·m^(1/2)）、稳定扩展区（da/dN随ΔK线性增长，斜率为Paris指数m，如铝合金的m约为3-4）与快速扩展区（da/dN急剧增大，直至断裂）。标准要求在稳定扩展区至少采集10个数据点，且相邻点的da/dN变化不超过50%，以保证曲线的准确性。

GB/T 12443-2007《金属材料 扭矩控制疲劳试验方法》

GB/T 12443-2007针对扭转疲劳试验，适用于评估轴类、套筒类零件在扭转交变载荷下的疲劳性能，如汽车传动轴、电机转轴——这类零件在工作中承受扭转循环，每转一圈承受一次扭转应力。标准中试样为圆棒状，直径通常为10mm，标距长度50mm，表面粗糙度Ra≤0.4μm（需通过磨削加工实现），以减少扭转过程中表面微裂纹的产生。

试验加载为扭矩控制，波形为正弦波，扭矩比T（最小扭矩与最大扭矩的比值）常见为0.1（扭-扭循环，如传动轴的正向扭转）或-1（扭-反扭循环，如挖掘机回转机构的转轴），转速范围500-3000rpm（转速高可缩短试验时间，但需避免共振）。试验过程中需监控试样的扭转角，当扭转角超过试样屈服扭转角的2倍时，需停止试验（防止试样产生塑性变形，影响疲劳结果）。

执行要点包括：试样的同轴度——安装时用百分表检测试样两端的径向跳动，误差≤0.02mm，否则会产生附加弯曲应力，使扭转疲劳变为弯扭组合疲劳；扭矩传感器的精度需达到±1%，否则扭矩误差会导致疲劳寿命偏差；试验过程中的温度控制——若试样温度超过40℃，需降低转速或增加冷却，防止材料热软化。对于缺口试样（如轴上的键槽），缺口需加工在试样标距中心，缺口形状为V型（根部半径0.25mm），以模拟实际零件的应力集中——缺口试样的疲劳极限通常比光滑试样低30%-50%，需重点关注。