材料疲勞試驗方法與疲勞斷裂試驗標準

2025-08-12

材料疲勞試驗方法

疲勞試驗可以預測材料或構(gòu)件在交變載荷作用下的疲勞強度，一般該類試驗周期較長，所需設(shè)備比較復雜，但是由于一般的力學試驗如靜力拉伸、硬度和沖擊試驗，都不能夠提供材料在反復交變載荷作用下的性能，因此對于重要的零構(gòu)件進行疲勞試驗是必須的。

金屬材料疲勞試驗的一些常用試驗方法通常包括單點疲勞試驗法、升降法、高頻振動試驗法、超聲疲勞試驗法、紅外熱像技術(shù)疲勞試驗方法等。

>>>>單點疲勞試驗法

單點疲勞試驗法聚焦于材料或構(gòu)件的某一特定局部點，通過對該點施加交變載荷，研究其在疲勞過程中的性能變化。這種方法常用于分析存在應(yīng)力集中、幾何突變等特殊部位的疲勞行為，例如齒輪齒根、焊接接頭等關(guān)鍵區(qū)域。在實際操作中，試驗人員會在目標點附近加工小尺寸試樣，或?qū)⒃嚇釉O(shè)計成能突出該點受力特征的形狀，然后使用小型疲勞試驗機施加精確控制的交變載荷。

通過單點疲勞試驗，能夠獲取特定點的疲勞壽命、裂紋萌生與擴展規(guī)律等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對于評估結(jié)構(gòu)件在局部高應(yīng)力區(qū)域的可靠性至關(guān)重要，有助于工程師優(yōu)化設(shè)計，增強結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵部位的抗疲勞能力，避免因局部疲勞失效引發(fā)整體結(jié)構(gòu)破壞。

>>>>升降法疲勞試驗

升降法是一種高效測定材料疲勞極限的試驗方法，尤其適用于疲勞壽命較長、傳統(tǒng)方法測試效率較低的情況。該方法基于統(tǒng)計學原理，以初始應(yīng)力水平對試樣進行疲勞試驗，若試樣在規(guī)定循環(huán)次數(shù)內(nèi)未發(fā)生斷裂，則降低下一個試樣的應(yīng)力水平;若試樣斷裂，則提高下一個試樣的應(yīng)力水平。通過一系列試樣的試驗，使應(yīng)力水平在疲勞極限附近上下波動，最終依據(jù)統(tǒng)計學方法計算出材料的疲勞極限。

升降法的優(yōu)勢在于能夠用較少的試樣數(shù)量獲得較為準確的疲勞極限數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了試驗時間和成本。在新材料研發(fā)、質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)，它能快速給出材料疲勞性能的關(guān)鍵指標，為材料的合理選用和性能對比提供有力支持。

>>>>高頻振動疲勞試驗法

高頻振動試驗法利用高頻激振設(shè)備，使試樣在高頻交變載荷(通常頻率在 100Hz - 20kHz)下進行疲勞試驗。較高的試驗頻率大幅縮短了完成一定循環(huán)次數(shù)所需的時間，提高了試驗效率，適用于快速評估材料的疲勞性能。

在實際應(yīng)用中，高頻振動試驗法常被用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域。例如，對航空發(fā)動機葉片、汽車發(fā)動機零部件等進行疲勞測試，可在較短時間內(nèi)模擬大量實際工況下的應(yīng)力循環(huán)，獲取材料的疲勞壽命和性能數(shù)據(jù)，加速產(chǎn)品研發(fā)進程，確保零部件在服役過程中的可靠性。

>>>>超聲法疲勞試驗

超聲疲勞試驗法采用超聲頻率(一般大于 20kHz)的振動載荷對試樣進行疲勞測試。該方法通過超聲換能器將電能轉(zhuǎn)換為高頻機械振動，傳遞給試樣，使其在高頻率下承受交變應(yīng)力。

超聲疲勞試驗的突出特點是能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)大量的應(yīng)力循環(huán)，可研究材料在超高周疲勞(循環(huán)次數(shù)大于 10?次)條件下的性能。對于一些需要服役數(shù)十年的關(guān)鍵構(gòu)件，如橋梁、核電站壓力容器等，超聲疲勞試驗?zāi)苡行гu估材料在超長壽命周期內(nèi)的疲勞行為，為結(jié)構(gòu)的長期安全性設(shè)計提供重要依據(jù)。同時，由于試驗頻率高，還可研究應(yīng)變率對材料疲勞性能的影響。

>>>>紅外熱像技術(shù)疲勞試驗方法

紅外熱像技術(shù)疲勞試驗方法是將紅外熱像儀與疲勞試驗相結(jié)合的新型檢測手段。在疲勞試驗過程中，材料內(nèi)部的微觀損傷、塑性變形等會產(chǎn)生熱量，導致表面溫度發(fā)生變化。紅外熱像儀能夠?qū)崟r捕捉試樣表面的溫度場分布及其變化情況，通過分析溫度變化特征，可推斷材料的疲勞損傷程度、裂紋萌生位置和擴展趨勢。

該方法具有非接觸、可視化、實時監(jiān)測等優(yōu)點，無需在試樣上安裝復雜的傳感器，不會對試樣的疲勞行為產(chǎn)生干擾。在復合材料、異種金屬焊接接頭等復雜材料的疲勞研究中，紅外熱像技術(shù)能夠直觀地呈現(xiàn)材料疲勞過程中的損傷演化，為深入理解材料疲勞機制提供豐富的信息，也有助于實現(xiàn)疲勞試驗過程的智能化監(jiān)測與控制。

疲勞斷裂試驗標準

1、金屬材料疲勞、斷裂試驗標準

(1) ASTM 相關(guān)標準

ASTM E739 線性或線性化應(yīng)力-壽命(S-N)和應(yīng)變-壽命(e-N)
ASTM E647 疲勞裂紋擴展速率試驗方法
ASTM E468 Standard Practice for Presentation of Constant Amplitude Fatigue Test Results for Metallic Materials
ASTM E466 金屬材料力控制恒幅軸向疲勞試驗方法
ASTM E399 Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Material
ASTM E561 Standard Test Method for K-R Curve Determination
ASTM E740 Standard Practice for Fracture Testing with Surface-Crack Tension Specimens
ASTM E1152 Standard Test Method for determining J-R Curves
ASTM E1820 Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness
ASTM E606/E606M Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing
ASTM E1942 Standard Guide for Evaluating Data Acquisition Systems Used in Cyclic Fatigue and Fracture Mechanics Testing
ASTM E2472 Standard Test Method for Determination of Resistance to Stable Crack Extension under Low-Constraint Conditions
ASTM B646 Standard Practice for Fracture Toughness Testing of luminum Alloys
ASTM E2818 Standard Practice for Determination of Quasistatic Fracture Toughness of Welds

(2) GB相關(guān)標準

GB/T 3075 金屬軸向疲勞試驗方法
GB/T 6398 金屬材料裂紋擴展試驗方法
GB/T 4337 金屬旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法
GB/T 7733 金屬旋轉(zhuǎn)彎曲腐蝕疲勞試驗方法
GB/T 12443 金屬扭應(yīng)力疲勞試驗方法
GB/T 7732 金屬材料表面裂紋拉伸試樣斷裂韌度試驗方法
GB/T 21143 金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法
GB/T 24176 金屬材料疲勞試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方案與分析方法
GB/T 2107 金屬高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法
GB/T15248 金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法
GB/T10622 金屬材料滾動接觸疲勞試驗方
GB/T 4161 金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度試驗方法
GB/T 2038 金屬材料延性斷裂韌度試驗方法
GB/T 26077 金屬材料疲勞試驗軸向應(yīng)變控制方法
GB/T 26076 金屬薄板(帶)軸向力控制疲勞試驗方法
GB/T 27595 膠粘劑結(jié)構(gòu)膠粘劑拉伸剪切疲勞性能的試驗方法
GB/T 12443 金屬材料扭應(yīng)力疲勞試驗方法
GB/T 13682 螺紋緊固件軸向疲勞試驗方法
GB/T 30064 金屬材料鋼構(gòu)件斷裂評估中裂紋端張開位移(CTOD)斷裂韌度的拘束損失修正方法
GB/T 24522 金屬材料低拘束試樣測定穩(wěn)定裂紋擴展阻力的試驗方法
GB/T 28896 金屬材料焊接接頭準靜態(tài)斷裂韌度測定的試驗方法
GB/T 27551 金屬材料焊縫破壞性試驗斷裂試驗

(3) HB相關(guān)標準

HB 5142 金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度試驗方法
HB 5152 金屬室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法
HB 5153 金屬高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法
HB 5217 金屬低周熱疲勞試驗方法
HB 5277 發(fā)動機葉平及材料振動疲勞試驗方法
HB 5287 金屬材料軸向加載疲勞試驗方法
HB 5279 金屬板材表面裂紋斷裂韌性試驗方法
HB 5487 鋁合金斷裂韌度試驗方法
HB 6626 金屬材料在含水介質(zhì)中疲勞裂紋擴展速率試驗方法
HB 7572 金屬材料(人字形缺口)平面應(yīng)變斷裂韌度試驗方法
HB 7680 金屬材料高溫疲勞裂紋擴展速率試驗方法
HB 7705 金屬材料疲勞小裂紋擴展速率試驗方法
HB 6442 飛機液壓導管及連接件彎曲疲勞試驗
HB 7680 高溫疲勞裂紋擴展速率試驗方法
HB 5261 金屬板材K-R曲線試驗方法
HB 6660 金屬板材熱疲勞試驗方法
HB 7110 金屬材料細節(jié)疲勞額定強度截止值(DFRcutoff)試驗方法
HB/Z 112 材料疲勞試驗統(tǒng)計分析方法
HB 20041 航空發(fā)動機軸類部件疲勞試驗方法

(4) GJB相關(guān)標準

GJB 2030 高溫下金屬材料斷裂韌度試驗方法
GJB 1997 金屬材料軸向腐蝕疲勞試驗方法
GJB 715.30A 緊固件試驗方法-拉伸疲勞
GJB 715.30 緊固件試驗方法-抗拉疲勞
GJB 715.9 緊固件試驗方法-抗剪接頭疲勞

2、復合材料疲勞、斷裂試驗標準

(1) ASTM相關(guān)標準

ASTM D5528 Standard Test Method for ModeI Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites
ASTM D3479/D3479 MStandard Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials
ASTM D7774 Standard Test Method for Flexural Fatigue Properties of Plastics
ASTM D7791 Standard Test Method for Uniaxial Fatigue Properties of Plastics
ASTM D4482 Standard Test Method for Rubber Property-ExtensionCycling Fatigue
ASTM D7615/D7615M Standard Practice for Open-Hole Fatigue Response of Polymer Matrix Composite Laminates
ASTM D3166 Standard Test Method for Fatigue Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading (Metal/Metal)
ASTM D6115 Standard Test Method for ModeI Fatigue Delamination Growth Onset of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer atrixComposites
ASTM E1049 Standard Practices for Cycle Counting in Fatigue Analysis

(2) GB相關(guān)標準

GB/T 16779 纖維增強塑料層合板拉-拉疲勞性能試驗方法
GB/T 28891-2012 纖維增強塑料復合材料單向增強材料Ⅰ型層間斷裂韌性的測定

(3) HB相關(guān)標準

HB 7624 碳纖維復合材料層合板彎曲疲勞試驗方法
HB 5268 有機玻璃板材斷裂韌度試驗方法
HB 7402 碳纖維復合材料層合板I型層間斷裂韌性試驗方法
HB 7403 碳纖維復合材料層合板II型層間斷裂韌性試驗方法
HB 7718.1 碳纖維復合材料層合板濕熱環(huán)境下層間斷裂韌性試驗方法第1部分：I型層間斷裂韌性試驗方法
HB 7718.2 碳纖維復合材料層合板濕熱環(huán)境下層間斷裂韌性試驗方法第2部分：II型層間斷裂韌性試驗方法

(4) GJB相關(guān)標準

GJB 586 纖維增強塑料層板拉伸層間斷裂韌性試驗方法
GJB 2637 碳纖維樹脂基復合材料層合板疲勞試驗方法
GJB 2033 航空有機玻璃拉伸疲勞試驗方法