可靠性检测中的疲劳试验如何进行呢

疲劳试验是可靠性检测中针对“循环应力下失效”的核心手段，旨在模拟产品实际使用中的重复载荷（如弯折、振动、压力交替），验证其是否能在设计寿命内保持功能。据统计，机械类产品60%以上的失效由疲劳引起——小到手机充电线的断裂，大到航空发动机叶片的裂纹，均与疲劳有关。因此，掌握疲劳试验的规范流程，是确保产品可靠性的关键环节。

明确疲劳试验的核心参数

疲劳试验的第一步，是根据产品使用场景确定核心参数。首先是“载荷类型”：拉压疲劳（如螺栓的反复拧紧）、弯曲疲劳（如传动轴的旋转）、扭转疲劳（如电机轴的正反转）、复合疲劳（如汽车悬架的拉压+扭转）需对应不同试验方案。例如，手机充电线的疲劳试验属于“弯曲疲劳”，需模拟用户反复弯折的动作；航空发动机叶片则需同时考虑“振动疲劳”与“热疲劳”。

其次是“循环特征”，用应力比R（最小应力/最大应力）表示：对称循环（R=-1，如旋转轴）是最严酷的情况，应力交替变化；脉动循环（R=0，如齿轮齿根）仅受单向应力；随机循环（R无固定值，如汽车路面载荷）需用随机谱模拟。不同循环特征下，材料寿命差异显著——对称循环下的寿命通常是脉动循环的1/3~1/5。

“频率”需避免热效应：金属件试验频率一般为5~50Hz（过高会升温），塑料件为0.5~10Hz（高频易软化）。例如，汽车轮胎的疲劳试验频率约10Hz，既模拟行驶速度，又防止过热。

“目标循环次数”需匹配产品寿命：消费电子（如充电线）需10^4~10^5次（对应1~2年使用）；汽车底盘件需10^6次（对应10万公里）；航空部件需10^7次以上（对应数千小时飞行）。目标次数需以“寿命剖面”为依据——如某手机充电线设计为“每天弯折50次，用2年”，则目标次数为50×365×2=36500次。

选择匹配的试验设备

疲劳试验设备需与载荷、试样、频率匹配。拉压试验机中，液压式（如MTS 810）适合大载荷（≤1000kN），用于桥梁钢缆；电液伺服式（如Instron 8800）兼具高精度与高频率（≤200Hz），适合合金材料。

弯曲试验机分“悬臂梁式”（如Zwick Roell Amsler 150H）与“三点弯曲式”（如Shimadzu EHF-E）：悬臂梁式模拟传动轴旋转弯曲，三点弯曲式模拟齿轮齿根应力。扭转试验机（如Tinius Olsen TTT）用于电机轴的正反转试验，振动试验机分电磁式（如LMS SC300，高频小载荷，适合电子元件）与液压式（如Schenck V850，低频大载荷，适合汽车悬架）。

设备校准是关键：载荷传感器需每年校准，精度±1%以内；位移传感器（如引伸计）需校准线性度，误差≤0.5%；振动台加速度传感器需用标准件校准。若载荷传感器未校准，100kN载荷可能实际只有95kN，导致结果偏于危险。

制备符合要求的试样

试样的形状、尺寸、表面状态直接影响结果。标准试样需符合国标（如GB/T 3075的金属拉伸疲劳试样）：圆形试样直径10mm、标距50mm，矩形试样厚度2mm、宽度10mm。非标准试样（如实际螺栓）需保留螺纹部分，模拟实际受力。

表面处理需严格：金属试样表面粗糙度Ra≤0.8μm（划痕会成为疲劳源），塑料试样需避免注塑痕。试样安装要对中——拉压试验时轴线偏差≤1°，否则会产生附加弯曲应力，导致提前断裂。例如，若螺栓试样安装偏斜，试验中螺纹根部会出现不均匀应力，结果不准确。

模拟实际使用的环境条件

环境因素会显著影响疲劳寿命：高温（如航空发动机叶片需600~1000℃）会降低材料强度；湿度（如海洋钢结构）会加速腐蚀疲劳；盐雾（如汽车底盘）会导致应力腐蚀开裂。

环境箱需满足精度要求：温度箱波动±1℃，盐雾箱符合GB/T 10125（pH值6.5~7.2，盐浓度5%）。例如，塑料件在50℃下试验，其疲劳寿命会比常温下降低30%~50%，因此需模拟实际使用温度。

设置试验的控制模式

控制模式分三种：载荷控制（适合刚性材料，如金属，变形小）、位移控制（适合柔性材料，如橡胶，变形大）、应变控制（适合焊接件，需保持应变恒定）。例如，金属试样用载荷控制，橡胶密封件用位移控制。

闭环控制是关键：电液伺服系统需确保载荷/位移精度——载荷波动≤±0.5%，位移波动≤±0.1mm。若控制精度不足，试验中应力忽高忽低，会导致结果偏差。

执行疲劳试验的操作流程

操作流程需严格规范：第一步安装试样，用百分表检查对中（偏差≤0.05mm）；第二步设置参数（载荷、频率、循环次数）；第三步预加载——施加10%最大载荷，消除试样间隙（如螺栓试样的螺纹间隙）；第四步开始试验，实时监控载荷-时间曲线；第五步观察状态——金属试样断裂前会有“咔嗒”声，或载荷下降10%以上；第六步停止试验——试样断裂或达到目标次数。

预加载不可省略：若试样有间隙，第一次加载会产生塑性变形，改变后续循环的应力分布。例如，某螺栓试样未预加载，试验中前100次循环的应力比预设高20%，导致提前断裂。

记录与监控试验过程数据

数据记录需全面：循环次数、实时应力/应变、环境参数（温度、湿度）、试样状态（裂纹出现的次数、长度）。监控手段包括：用应变片测试样应变（精度±1με）、用高速摄像机拍裂纹扩展（帧率≥1000fps）、用声发射仪检测裂纹萌生（灵敏度≤100dB）。

数据需实时存储：用软件每100次循环记录一次，或当数据变化超过阈值（如应力波动＞1%）时自动记录。例如，声发射仪在裂纹萌生时会发出警报，及时记录“裂纹起始循环次数”——这是分析疲劳寿命的关键参数。

验证试验结果的有效性

结果有效性需验证“过程合规”与“结果重复”：首先检查试样断裂位置——若断裂在夹头或过渡圆弧处（非标距内），说明安装偏斜，结果无效；其次检查参数一致性——载荷、频率、环境是否与预设一致；最后做平行试验——3~5次结果的变异系数（标准差/平均值）需＜10%。例如，某金属试样5次寿命为1.2×10^6、1.1×10^6、1.3×10^6、1.2×10^6、1.1×10^6次，变异系数6.8%，符合要求。

异常情况需处理：若试验中断电，重启后需检查试样状态——若塑料试样发生蠕变，需重新试验；若金属试样无变形，可继续但需注明。此外，标准试样需与实际零件的应力状态一致——如用圆形试样模拟螺栓，需确保试样的应力集中系数（圆角处）与螺栓螺纹根部一致，否则结果无法代表实际寿命。