探究材料的疲劳，万测疲劳试验机助力材料疲劳检验

1、因材料疲劳引发的事故

2021年2月20日，美航一架波音777客机从美国丹佛国际机场起飞，计划飞往夏威夷。在起飞后不久，这架波音777客机右侧发动机起火爆炸，所幸最终飞机安全返航。事后经调查，该飞机在失事7年前发生机尾擦地，工作人员在维修时操作失误，导致事发时尾端机体因金属疲劳而爆开、连带损毁尾翼与液压系统，最终导致事故的发生。

1998年6月3日，德国一辆开往汉保的城际列车在行至汉诺威附近时发生列车脱轨事件，造成100人死亡，88人重伤。经调查造成本次事故的原因就是一只车轮钢圈发生了疲劳断裂，火车车轮在行进中钢圈会承受极大的重量而发生收缩，这种反复的收缩造成了它的金属疲劳。

以上事件我们可以发现，疲劳现象是长期作用的结果，在发生疲劳断裂之前宏观上看不到明显的变化，所以此类因材料疲劳发生的事故有隐蔽性，危害大。

据统计金属部件中80%以上的断裂事故是由金属疲劳引起的，因此认识疲劳现象，研究疲劳破坏规律，检测金属疲劳，防止疲劳现象造成的安全事故是非常重要的。

2、疲劳概念、特点及受影响因素

2.1疲劳概念

疲劳是指材料在承受扰动力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂，由此所发生的局部永久结构变化的发展过程。在经历足够多次的扰动载荷作用下，裂纹首先从材料高应力或高应变的局部开始形成，称为裂萌生。此后的扰动力载荷继续作用下，裂纹进一步扩展，直至达到完全断裂。裂纹从萌生、扩展、断裂三个阶段，是疲劳破坏的重要特点。研究材料疲劳裂纹从萌生、扩展、断裂的机理和规律，是疲劳研究的主要任务。

2.2疲劳的特点

材料的疲劳现象是一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示韧性或脆性破坏的材料在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂。

疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测就显得十分重要和必要。

对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。

2.3影响材料疲劳性能的因素

A.加载方式的影响：在同样的应力水平作用下，材料在拉压循环载荷作用下的寿命比弯曲循环载荷作用下的短。

B.尺寸效应：在给定寿命的条件下，大尺寸构件的疲劳强度较低。在给定应力水平的条件下，大尺寸构件的疲劳寿命较低。

C.表面粗糙度的影响：粗糙的表面将加大构件局部应力集中程度，从而缩短裂纹萌生寿命。

D.表面处理的影响：疲劳裂纹大多起源于表面，为了提高疲劳性能，可以通过在构件表面处理，引入压缩残余应力的方法，如镀镍、喷丸等。

E.温度和环境的影响：材料在诸如海水、酸碱溶液等腐蚀介质下发生疲劳，对材料的疲劳寿命是不利的，在腐蚀疲劳过程中，力学作用与化学作用相互耦合，与常规的疲劳相比，破坏进程会大大加载。

3、材料/构件疲劳试验

高周疲劳：指疲劳寿命所包含的载荷循环周次比较高，一般大于5万次，而作用在构件上的循环应力水平比较低，一般采用应力作为控制参量。疲劳性能可以用应力幅（或最大应力）与材料失效时的循环周次之间的关系来描述，称为应力——寿命关系，即S-N曲线。

在给定的应力比下，施加不同应力幅的循环应力，记录失效时的载荷寿命，以寿命为横轴、应力为纵轴，描点并进行数据拟合，即可得到下图的S-N曲线。很明显，在给定的应力比下，应力水平越低，寿命越长。

S-N曲线

低周疲劳：指疲劳寿命所包含的载荷周次比较少，一般小于5万次，而作用在结构件上的循环应力水平比较高，最大循环应力通常大于材料的屈服应力。由于材料进入屈服后应变变化较大，而应力变化很小，一般采用应变作为疲劳控制参量。连续监测材料的应力—应变响应，可以得到一系列的环状曲线，即滞回曲线。如下图。

应力-应变滞回环

万测电液伺服疲劳试验机

万测疲劳试验机主要用于金属材料、复合材料及零部件、弹性体的疲劳力学性能试验。可实现拉伸、压缩、弯曲、拉压加载。实现高周疲劳、低周疲劳、断裂力学等试验。控制方式有载荷控制、应变控制、位移控制，有正弦波、三角波、梯形波等各种波形输出。可配置环境试验装置，如高温、低温、盐雾、腐蚀下的环境模拟试验。目前广泛应用于科研院所、冶金、建筑、国防军工、高等院校、机械制造、交通运输等行业。

高温疲劳试验

●试验温度范围：200~1000℃。
●配置高温引伸计，可进行应力——应变疲劳试验。

高温/低温疲劳试验

●环境箱温度范围：-70℃~300℃

●液压夹具可直接进入高温/低温环境箱，试样夹持无需过度连接。

腐蚀疲劳试验

●介质可以是腐蚀性溶液或水。

●可以对介质进行温度控制。

扭转疲劳试验

●实现径向的往复扭转加载。

●一般用于测试轴类构件扭转疲劳寿命。

●可配置高低温环境箱、盐雾箱、溶液介质箱。