疲劳寿命测试的方法有哪些？

疲劳寿命测试的方法根据测试对象、载荷类型、环境条件及测试目的的不同，可分为多种类别。以下从载荷形式、测试对象、环境因素及特殊场景等维度，详细介绍常见的测试方法：

一、按载荷形式分类（核心分类方式）

疲劳破坏的本质是交变载荷作用下的损伤累积，因此载荷形式是区分测试方法的核心依据。

1. 轴向疲劳测试（拉伸 - 压缩疲劳测试）

• 原理：对试样施加轴向的交变拉伸和压缩载荷（如正弦波、三角波等），模拟构件在轴向力反复作用下的工况。

• 适用对象：杆类、轴类零件（如螺栓、活塞杆）、金属及复合材料标准试样。

• 关键设备：电液伺服轴向疲劳试验机（可精确控制载荷幅值和频率）。

• 典型标准：ASTM E466（金属材料轴向疲劳测试标准）、ISO 13003（复合材料轴向疲劳测试）。

2. 弯曲疲劳测试

• 原理：通过对试样施加交变弯曲载荷（如三点弯曲、四点弯曲），使试样截面承受交变的拉应力和压应力。

• 分类：

• 旋转弯曲疲劳测试：试样绕自身轴线旋转，配合固定的弯曲载荷，实现截面应力的周期性变化（如汽车传动轴的工况模拟）。

• 非旋转弯曲疲劳测试：载荷方向周期性变化，试样不旋转（如桥梁横梁在车辆荷载下的弯曲疲劳）。

• 适用对象：板材、棒材、齿轮齿根、轴类零件的弯曲疲劳评估。

• 典型标准：ASTM E468（金属材料旋转弯曲疲劳测试）。

3. 扭转疲劳测试

• 原理：对试样施加交变扭矩，使材料承受反复的剪切应力，模拟构件在扭转工况下的疲劳（如传动轴、弹簧的扭转疲劳）。

• 特点：需同时控制扭矩幅值和转速，部分场景下会结合轴向载荷（复合载荷扭转疲劳）。

• 适用对象：轴承、万向节、螺栓（受预紧力和扭转复合作用时）。

• 典型标准：ASTM E1942（金属材料扭转疲劳测试）。

4. 复合载荷疲劳测试

• 原理：同时施加两种或以上载荷（如轴向 + 弯曲、弯曲 + 扭转），模拟构件实际使用中的复杂受力状态。

• 适用场景：飞机起落架（承受轴向力 + 弯矩）、汽车悬挂系统（多向载荷复合）。

• 技术难点：需精确控制多载荷的相位差和幅值比例，对试验机同步性要求高。

二、按测试对象分类

1. 标准试样测试

• 特点：采用符合国际 / 行业标准的试样（如光滑圆棒、带缺口试样），消除结构复杂性对结果的影响，专注于材料本身的疲劳性能。

• 目的：获取材料的基础疲劳数据（如 S-N 曲线、疲劳极限），用于材料筛选和理论研究。

• 优势：数据重复性好，可对比不同材料的疲劳特性。

2. 构件 / 部件疲劳测试

• 特点：直接对实际零件或组件（如齿轮、叶片、车架）进行测试，更贴近真实使用工况。

• 目的：验证产品设计的疲劳寿命是否满足要求，评估结构细节（如焊缝、拐角）的应力集中对疲劳的影响。

• 挑战：试样尺寸大，需大型疲劳试验机；测试周期长，成本较高。

三、按环境因素分类

实际工况中，环境因素（如温度、腐蚀、湿度）会显著加速疲劳损伤，因此需针对性设计测试方法：

1. 高温疲劳测试

• 原理：在高温环境（如发动机舱、锅炉部件的工作温度）下施加交变载荷，评估材料在热 - 力耦合作用下的疲劳寿命。

• 特点：高温会降低材料强度，且可能引发蠕变 - 疲劳交互作用，需同步控制温度和载荷。

• 适用对象：汽轮机叶片、内燃机活塞、高温合金构件。

2. 低温疲劳测试

• 原理：在低温环境（如航空航天领域的高空低温、冷链设备）下测试，材料可能因低温脆性导致疲劳寿命下降。

• 关键：需避免试样在低温下发生相变或脆化，影响测试结果。

3. 腐蚀疲劳测试

• 原理：在腐蚀介质（如盐水、酸性溶液）中施加交变载荷，模拟海洋、化工设备的工况（腐蚀与疲劳协同作用会大幅缩短寿命）。

• 分类：

• 浸泡式腐蚀疲劳（试样浸入介质）；

• 喷雾式腐蚀疲劳（模拟盐雾环境，如汽车底盘）。

• 典型标准：ASTM G49（金属腐蚀疲劳测试）。

4. 振动疲劳测试

• 原理：通过振动台施加随机或正弦振动载荷，模拟产品在运输、使用中的振动环境（如电子元件、汽车零部件）。

• 特点：载荷频率高，通常结合模态分析，找出构件的共振频率（共振时疲劳损伤最快）。

四、特殊测试方法

1. 疲劳裂纹扩展测试

• 原理：并非直接测试 “至断裂的总寿命”，而是测量已有裂纹在交变载荷下的扩展速率，通过公式（如 Paris 公式）预测裂纹从初始尺寸扩展到临界尺寸的寿命。

• 适用场景：结构完整性评估（如压力容器、飞机机身的裂纹容限设计）。

• 关键参数：裂纹长度、应力强度因子幅值（ΔK）。

2. 加速疲劳测试

• 原理：通过提高应力幅值、频率或环境严苛程度，缩短测试时间（需确保加速条件不改变疲劳失效机理）。

• 应用：批量产品的快速质量抽检，或新产品的初期寿命评估。

• 风险：若加速参数选择不当，可能导致测试结果与实际寿命偏差较大。

3. 超声疲劳测试

• 原理：利用超声波振动（频率通常 10-30kHz）施加高频交变载荷，大幅缩短测试周期（可在几小时内完成百万次循环）。

• 适用对象：评估材料的超高周疲劳性能（10⁷次以上循环），如轴承、高铁轮对。