GB/T 4337规范金属材料疲劳检测的弯曲试验

GB/T 4337-2015《金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方法》是我国金属材料弯曲疲劳性能检测的核心国家标准，明确了对称循环与非对称循环下弯曲疲劳试验的方法、设备、试样及结果处理要求，是机械、航空、汽车等领域评价金属构件抗疲劳失效能力的关键技术依据，其规范性直接决定疲劳试验结果的准确性与可比性。

GB/T 4337的适用范围与试验类型划分

该标准适用于黑色金属（如碳钢、合金钢）与有色金属（如铝合金、铜合金）及其合金的弯曲疲劳试验，涵盖三种典型试验类型：旋转弯曲（适用于轴类零件，试样绕轴线旋转，承受对称循环应力）、三点弯曲（适用于板材/型材，试样跨在两个支座上，中间受集中载荷）、四点弯曲（适用于均匀应力场需求，试样受两个集中载荷，平行长度内应力分布均匀）。不同试验类型的选择需匹配实际构件的受力状态，例如轴类零件优先选旋转弯曲，板材构件优先选四点弯曲。

标准明确排除了受腐蚀、高温或高速载荷（导致试样发热）的特殊环境试验，若需此类条件，需在试验报告中额外说明并引用相关标准（如GB/T 15248《金属材料 轴向等幅疲劳试验方法》）。

试验试样的规范性制备要求

GB/T 4337对试样的形状、尺寸与表面质量有严格规定：圆形试样直径d通常为6mm（也可选用4mm、8mm，需满足平行长度L=5d~10d），平行长度内直径偏差≤0.01mm；矩形试样厚度t≤10mm，宽度b=10mm~20mm，平行长度L=3b~5b。试样表面粗糙度Ra≤0.2μm（用磨削或抛光处理），不得有划痕、凹坑或裂纹——此类缺陷会成为疲劳源，导致试验结果偏低30%以上。

试样制备需避免冷作硬化：机加工时进给量≤0.1mm/r，切削速度≤50m/min，加工后需用超声波清洗去除油污，必要时进行低温退火（如150℃~200℃保温1h）消除表面应力。试样两端的夹持部分需与平行长度光滑过渡（圆角半径r≥2d），防止安装时产生应力集中。

试验设备的技术指标要求

试验设备主要为疲劳试验机，需满足以下要求：载荷示值误差≤±1%（按GB/T 16825.1校准），加载频率范围1Hz~3000Hz（避免试样温度升高超过10℃）；旋转弯曲试验机的主轴同轴度≤0.02mm，三点/四点弯曲试验机的支座硬度≥HRC50（避免磨损导致跨距变化）。

夹具需与试样匹配：圆形试样用双顶尖定位（顶尖锥度为60°），矩形试样用平口夹具（夹具表面粗糙度Ra≤0.8μm）；三点弯曲的支座半径R=10mm（若试样直径d=6mm），四点弯曲的外跨距L0=4d，内跨距L1=2d（保证平行长度内应力均匀）。夹具安装后需用百分表检查试样的同轴度或平面度，偏差超过标准值需调整。

试验参数的确定与设定

弯曲疲劳试验的核心参数包括：（1）应力比R：对称循环时R=-1（最常见，模拟轴类零件的旋转受力），非对称循环时R=0~0.5（如齿轮齿根的弯曲）；（2）应力幅σa：根据材料抗拉强度σb估计，通常σa=0.3σb~0.5σb（需通过预试验调整）；（3）循环基数N0：标准规定为10^7次（达到该次数未断裂则认为达到疲劳极限）；（4）加载频率f：推荐f=50Hz~200Hz（电液伺服试验机）或f=1000Hz~3000Hz（旋转弯曲试验机），避免试样因高频振动发热。

参数设定需在试验前记录于方案中，若试验过程中需调整参数（如加载频率），需重新校准设备并验证试样状态，否则结果无效。

试验过程的标准化操作流程

试样安装：圆形试样用顶尖轻轻顶紧（避免过紧导致试样变形），用百分表检查径向跳动≤0.02mm；矩形试样放置在支座上，调整跨距至标准值（如三点弯曲跨距L=10d），用夹具固定。预加载：施加10%~20%的设定应力幅，保持5s~10s，检查试样无偏移、设备无异常振动后卸载。

正式加载：按设定频率平稳加载至目标应力幅，开始计数循环次数；试验中实时监测载荷-位移曲线，若曲线突然下降（说明试样断裂）或载荷波动超过±5%（说明设备故障），立即停止试验。断裂后需测量断裂位置：若断裂在平行长度外（如夹具或支座处），结果无效，需重新试验；若在平行长度内，需用显微镜观察断裂形貌（疲劳源位置、扩展区、瞬断区），并记录于报告中。

试验数据的合规性处理与结果表达

疲劳寿命Nf：试样断裂时的循环次数，若未断裂则记录为“>10^7次”；疲劳极限σ-1（对称循环）：用升降法计算——若试样在应力幅σa1下断裂，则下一个试样用σa2=σa1-Δσ（Δσ=5%~10%σa1）；若未断裂，则用σa2=σa1+Δσ，重复5~7次后，取断裂与未断裂应力幅的平均值作为中值疲劳极限。

结果需用S-N曲线表达：纵坐标为应力幅σa（MPa），横坐标为循环次数N（对数坐标，lgN），曲线需包含至少5个有效数据点（断裂或未断裂）。报告内容需涵盖：材料牌号、热处理状态、试样尺寸/表面粗糙度、试验类型（旋转/三点/四点弯曲）、应力比R、加载频率f、循环基数N0、疲劳极限σ-1、S-N曲线、断裂形貌照片。

试验结果的误差规避策略

表面质量误差：试样表面若有划痕（深度>0.05mm），需用细砂纸（1000#~2000#）打磨去除，或重新制备试样；若表面有氧化皮，需用酸洗（如盐酸+缓蚀剂）去除，但需控制酸洗时间（≤10min），避免过度腐蚀。

设备误差：试验机需每年校准一次，夹具每半年检查一次（如支座半径磨损≤0.1mm需更换）；加载过程中若发现载荷波动，需停机检查油路（电液伺服试验机）或主轴轴承（旋转弯曲试验机）。

环境误差：试验需在常温（20±5℃）、干燥（相对湿度≤60%）环境下进行，避免试样接触汗水（含氯离子会加速疲劳断裂）或油污（导致表面粘结）；若需在潮湿环境试验，需用防锈油涂抹试样表面，并在报告中说明。