循环耐力测试

介绍

在工程领域，决定部件使用寿命和性能的最重要因素之一是其抵抗重复载荷的能力。许多工业部件的失效并非源于极端的瞬时载荷，而是由于循环和持续载荷。这种失效类型被称为“材料疲劳”。疲劳可能由微小但重复的力
引起，并最终导致突然失效。为了评估这种性能，需要进行一种称为循环耐久性试验或疲劳试验的测试。

这项测试是汽车、航空航天、医疗器械、金属结构制造、家用电器甚至聚合物部件等各个行业中最重要的机械测试之一。其目的是检验材料抵抗重复载荷的能力，确定其使用寿命，并预测其在实际工况下的失效行为。

材料疲劳的概念

当材料反复承受应力时，就会发生疲劳。即使这些应力低于材料的屈服强度或极限强度，反复应力也会导致材料表面或表面以下形成微小裂纹。
随着时间的推移，这些裂纹会不断扩展，最终导致部件完全失效。值得注意的是，疲劳失效通常不会出现明显的变形或预警。

从工程学的角度来看，疲劳可以分为三个阶段：

裂纹萌生：表面形成微小裂纹的过程。
裂纹扩展：裂纹在加载循环过程中逐渐扩展的过程。
最终断裂：当剩余横截面无法承受载荷时。

循环耐久性测试的主要参数

要定义循环耐久性测试，必须指定几个关键参数：

应力幅值：一个周期内最大应力值与最小应力值之差。
平均压力：周期内的平均压力量。
应力比（R 比）：最小应力与最大应力之比，决定了载荷类型。
加载频率：单位时间内循环的次数，通常以赫兹为单位。
失效循环次数（Nf）：样品在失效前能够承受负载的次数。
载荷类型：可以是拉伸、压缩、弯曲、扭转或组合载荷。

疲劳和循环耐久性试验的类型

1. 高周疲劳 (HCF)

在这种情况下，载荷处于弹性范围内，循环次数非常高（通常在 10⁴ 到 10⁷ 次或更高）。
在高周疲劳中，塑性变形非常小，失效通常始于表面缺陷区域。该试验结果通常以S-N 图
的形式显示，其中横轴表示失效循环次数 (N)，纵轴表示应力 (S)。

2. 低周疲劳 (LCF)

在低周疲劳中，应力或应变幅值较高，材料进入塑性变形区。
此时循环次数较少（通常小于10⁴次）。由于塑性变形起着重要作用，因此使用ε-N（应变-循环次数）图
来分析该区域的材料行为。

3. 多轴和组合试验

在许多工业部件中，应力并非仅沿一个方向施加。因此，需要进行多轴试验来检验组合载荷（拉伸、弯曲、扭转等）的影响。这类试验对于曲轴、汽车车轴和金属接头等复杂部件至关重要。

4. 环境条件下的耐久性测试

温度、湿度、腐蚀或压力等环境条件会对疲劳性能产生显著影响。
因此，有时会在高温、腐蚀性环境或模拟真实环境中进行循环耐久性测试，以评估各种因素的综合影响。

循环耐久性测试中使用的设备

用于进行此项测试的专用设备称为疲劳试验机或动态试验机。这些设备因材料类型、载荷和测试目的的不同而有所差异。设备的主要组成部分包括：

装载框架：机器的主要结构，用于固定样品。
动态动力源：可以是液压的，也可以是机电的。
称重传感器：用于精确测量施加的力。
夹具或夹钳：用于固定样品，防止其滑动或旋转。
位移和应变传感器：用于测量每个循环的变形。
控制系统和软件：用于频率控制、负载范围和数据记录。
环境试验箱：如果需要在特定温度或条件下进行测试。

循环耐久性试验的执行方法

执行该测试的一般步骤如下：

样品制备：样品必须具有标准尺寸和表面形貌。均匀无裂纹的表面光洁度至关重要。
将样品安装到机器中：调整夹具，使施加的力恰好沿所需方向施加。
设置测试参数：包括应力幅值、R 比、加载频率和目标循环次数。
测试执行：设备反复施加负载，直到发生故障或达到指定的循环次数。
数据监测和记录：在测试过程中，会记录力、应变、温度和时间等数据。
失效检查：试验完成后，用显微镜检查失效表面，以确定裂纹萌生位置和失效类型。
结果分析：绘制 S-N 或 ε-N 图，并提取疲劳参数。

测试结果分析

1. 信噪比图

在此图中，纵轴表示应力，横轴表示失效循环次数。随着循环次数的增加，允许应力会降低。
对于某些材料，例如某些钢材，可能存在一个极限值，低于该值材料实际上不会失效。这个极限值称为疲劳极限。

2. 巴斯金定律

描述高速疲劳的一种常见关系如下：

$σa=σf′(2Nf)b\sigma_a = \sigma’_f (2N_f)^b$

在哪里：

$σa\sigma_a$ 应力振幅
$σf′\sigma’_f$ 疲劳强度系数
$b$ ：负功率因数（取决于材料）
$N_f$ 失效循环次数

3.应变模型（Coffin-Manson）

对于塑性变形较大的低周疲劳，采用以下公式：

$Δε=σf′E(2Nf)b+εf′(2Nf)c\Delta \varepsilon = \frac{\sigma’_f}{E}(2N_f)^b + \varepsilon’_f (2N_f)^c$

其中 $εf′\varepsilon’_f$ 是疲劳应变 $c$ 是塑性应变系数。

4. 疲劳裂纹扩展

在金属材料中，裂纹扩展是在加载过程中逐渐发生的。裂纹扩展速率通常用Paris方程表示：

$badN=C(ΔK)m\frac{da}{dN} = C(\Delta K)^m$

在这方面：

$a$ ：裂纹长度
$N$ ：循环次数
$：应力$ 强度范围
$C$ 和 $m$ ：取决于材料性别的系数

该方程可以预测裂纹扩展速率并确定剩余寿命。

Ortas 螺杆泵

影响疲劳寿命的因素

材料类型和结构：微观结构、晶粒尺寸和化学成分起着重要作用。
表面质量：划痕、凹坑或表面粗糙度可能是裂纹的起点。
热处理：正火、淬火和回火等工艺可以改变疲劳强度。
残余应力：表面压应力可以提高疲劳寿命。
环境条件：湿度、温度和腐蚀性环境会产生负面影响。
零件形状和几何形状：拐角、孔或焊接区域的应力集中通常会降低疲劳寿命。

循环耐久性测试的工业应用

航空航天业

在飞机制造中，发动机叶片、机身和连接件承受着持续的循环载荷。即使是最小的疲劳裂纹也可能导致灾难性的故障。循环耐久性测试对于确保飞行安全以及确定何时需要维修或更换部件至关重要。

汽车行业

车辆中的车轴、弹簧、悬臂、曲轴和接头不断承受着各种不同的载荷。循环耐久性测试用于预测使用寿命、提高安全性并降低保修成本。

能源行业和发电厂

涡轮机、压缩机叶片和电厂部件都会受到振动和循环应力的影响。循环耐久性评估对于这些设备的设计至关重要，可以防止过早失效。

医疗设备

骨植入物和人工关节的材料会承受来自人体运动的循环力。对这些部件进行疲劳测试对于确保其在多年使用中的耐久性至关重要。

家用电器和耗材

铰链、弹簧、齿轮、紧固件和活动塑料部件等组件也需要进行循环耐久性评估，以确保产品的使用寿命和质量。

Seepex集团

测试的挑战和局限性

耗时：测试可能需要几天甚至几周的时间才能达到数百万个循环。
内部加热：在高频下，样品温度升高可能会扭曲结果。
结果分散：疲劳寿命本质上具有高度分散性，因此需要重复测试和统计分析。
样本尺度：小样本的行为可能无法完全反映实际产品的行为。
成本高昂：先进的疲劳试验设备，特别是伺服液压试验机，价格昂贵。

结论

循环耐久性测试是评估材料和部件在重复载荷作用下的性能和寿命的最重要方法之一。
该测试有助于：

部件的实际使用寿命是可以预测的。
采用更优化、更安全的设计方案，
防止现场发生突发故障
并提高产品的最终质量。

在先进行业中，精确、科学地执行这项测试是产品开发和质量控制流程中不可或缺的一部分。随着测量技术、分析软件和更精密设备的进步，现在比以往任何时候都能够更准确地模拟疲劳行为并改进零部件设计。