范曉望，崔東凱，于 亮，劉 嬌，張 拓，李艷迪

(中機試驗裝備股份有限公司，吉林 長春 130103)

1 低周疲勞定義

疲勞是材料在循環(huán)應力和應變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生永久性累積損傷，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。疲勞壽命是發(fā)生疲勞破壞時的載荷循環(huán)次數(shù)或者在測試過程中經(jīng)過一定的時間產(chǎn)生了破壞或者斷裂。因此，材料或構件疲勞失效時所經(jīng)受的規(guī)定應力或應變的循環(huán)次數(shù)，是設計人員和工程技術人員關注的重要參數(shù)。

低周疲勞的定義：金屬在循環(huán)載荷的作用下，由于塑性應變的循環(huán)作用所引起的疲勞失效稱為低周疲勞。

(1)材料所受的循環(huán)應力接近甚至超過其屈服強度；

(2)加載頻率也很低(通常為0.01Hz～1Hz)，每個循環(huán)都會產(chǎn)生一定量的塑性變形；

(3)低周疲勞和高周疲勞大約以5×104循環(huán)周次為界。

材料在循環(huán)加載時的應力-應變關系可用滯后回線表征。滯后回線定義：材料在接近或超過其屈服強度的循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生一定的塑性應變，得到的應力-應變曲線稱為滯后回線。低周疲勞應力-應變滯后回線如圖1所示。

圖1 低周疲勞應力-應變滯后回線

由零點開始拉伸至應變水平B后卸載至0(C點，此時載荷為0但應變不為0)，加載至應變水平D，再卸載至0(E點，此時載荷為0但應變不為0)，再加載至B點，依此往復循環(huán)。加載卸載的應力-應變跡線BDB形成一個閉環(huán)，這就是滯后回線。

每一應力產(chǎn)生的總應變Δεt為：

Δεt=Δεe+Δεp

式中，Δεe為彈性應變范圍；Δεp為塑性應變范圍。

每次循環(huán)過程中，應力-應變關系可以表示為：

2 低周疲勞試驗

2.1 試樣選擇

根據(jù)研究對象的不同，試樣的形狀尺寸也不盡相同，常見的試樣形狀可以分為啞鈴形均勻標距試樣、漏斗形試樣及板材試樣。均勻標距試樣或漏斗形試樣的選擇通常取決于待施加應變范圍的大小，推薦的均勻標距試樣常常適用于小于等于大約2%的應變范圍。當大于2%時，有必要采用漏斗形試樣。

按照低周疲勞的相關標準，可以把試樣分為標準試樣及非標試樣，應以實際情況進行試樣的選取。如果取樣受限，可以選取標準中規(guī)定的其它尺寸的非標試樣。以啞鈴形均勻標距試樣為例，其尺寸要求如下：

(1)d≥5mm；L0≥2d；r≥2d；D≥2d；Lr<8d(參照 GB/T 26077-2021)。

(2)平行度，同軸度，垂直度均為小于等于0.005d。

(3)推薦連接方式為螺紋連接、臺階連接(Button Head)、光滑圓柱連接(液壓夾具)。

(4)標準建議平均表面粗糙度不大于0.2μm。

(5)標距部分內(nèi)圓柱直徑一致。

(6)盡量降低發(fā)生壓縮失穩(wěn)的風險，從而避免在圓弧過渡部分發(fā)生失效。

(7)使應變水平均勻分布在整個標距范圍內(nèi)。

(8)避免引伸計在測量應變時的信號干擾和滑動。

(9)試樣的平行段的長度應大于引伸計的標距，且為了降低在試樣標距外發(fā)生失效的風險，平行長度宜不超過L0+(d/2)。

推薦的圓柱形試樣幾何尺寸如圖2所示。

圖2 推薦的圓柱形試樣幾何尺寸

2.2 循環(huán)硬化和循環(huán)軟化

循環(huán)硬化是在循環(huán)加載過程中，當控制應變恒定時，其應力隨循環(huán)數(shù)增加而增加，然后漸趨穩(wěn)定的現(xiàn)象(基于應力的終止試驗條件)。循環(huán)軟化是在循環(huán)加載過程中，當控制應變恒定時，應力隨循環(huán)數(shù)增加而降低，然后漸趨穩(wěn)定的現(xiàn)象(基于應力的終止試驗條件)?；趹Φ慕K止試驗條件如圖3所示。

(a)對于在初始硬化及軟化后存在穩(wěn)定狀態(tài)或一直處于穩(wěn)定狀態(tài)的材料

(b)對于連續(xù)軟化的材料圖3 基于應力的終止試驗條件

2.3 試驗機的控制

在低周疲勞試驗中，一般控制總應變范圍。根據(jù)試驗要求也可以控制非彈性應變范圍。對于低延性材料和較長壽命的低周疲勞試驗，其塑性應變范圍很小。若能保持所要求的應變范圍，又能對其載荷范圍進行定期調(diào)整時，也允許控制載荷。

為了實現(xiàn)能連續(xù)控制所規(guī)定的試驗變量，一般采用閉環(huán)控制疲勞試驗機。若使用非連續(xù)可控的試驗機，則應嚴格控制所用變量的極限。

除試驗目的是研究起始加載效應外，所有試驗應以相同的拉伸或壓縮半循環(huán)開始。

波形：除試驗目的是測定波形影響外，在整個試驗過程中，應變或應力對時間波形應保持一致。在無特定要求或設備受限制時，一般采用三角波。設備一般都可以實現(xiàn)正弦波、梯形波等。

應變速率：除試驗目的是測定應變速率或頻率影響外，試驗應變速率應保持不變。

2.4 失效判據(jù)

根據(jù)試驗目的和所試材料特性確定失效標準，參照GB/T 15248-2008，可選擇的判定標準如下：

(1)試驗斷裂；

(2)最大載荷或應力或拉伸卸載彈性模量降低一定百分數(shù)；

(3)試樣表面出現(xiàn)可檢測裂紋時，當此裂紋增長到符合試驗目的要求的某一預定尺寸；

(4)拉伸卸載彈性模量ENT與壓縮卸載彈性模量ENC的比值qN(即ENT/ENC)降低至首個循環(huán)的50%時；

(5)遲滯回線的壓縮部分出現(xiàn)拐點，拐點的數(shù)值σc，即峰值壓應力減去壓縮加載曲線拐點處的應力，達到峰值壓應力的某一規(guī)定百分數(shù)(如圖4所示)。

圖4 確定失效拐點的定義

2.5 有效性判定

等截面試樣斷在標距長度內(nèi)，或漏斗形試樣斷在最小直徑附近，方為有效。若斷在其他位置，或在斷口處發(fā)現(xiàn)有雜質、孔洞或機加工缺陷等情況，則結果無效。若試樣總斷在同一位置，則可能是同軸度問題或引伸計安裝造成的“刀口”斷裂，應予以糾正。

2.6 試樣的表面狀態(tài)

試樣的表面狀態(tài)會對試驗結果產(chǎn)生影響，影響通常與下列因素有關：

(1)試樣的表面粗糙度。

(2)殘余應力。

(3)材料顯微組織的變化(這一現(xiàn)象是由加工過程中的溫度升高以及應變硬化引起的，這也是引起相變、表面再結晶的原因。目前在實驗室由于試樣升溫后會發(fā)生熱膨脹，可能存在引伸計打滑的現(xiàn)象，需要開爐重新調(diào)整引伸計或者更換試樣。需要注意的是，要在爐溫400℃以下才能開爐，試樣降至室溫后再對引伸計重新調(diào)零。安裝引伸計時應格外小心，以防止損傷試樣表面，出現(xiàn)過早斷裂)。

(4)污染物的介入(某些元素或化合物可能會劣化某種材料的機械性能，例如存在于鋼或鈦合金中的氯。因此，在加工過程中應避免這些元素的使用(特別是在切削乳化液中)。在試樣前期保存的清潔及去油過程也應注意上述問題。目前實驗室會規(guī)定，試驗前多試樣進行超聲波酒精清洗，清洗后的試樣不能直接用手去觸碰試樣表面，防止手上的油脂傳遞到試樣，從而污染試樣)。

2.7 試驗結果處理

Manson-Coffin公式：

Basquin’s公式：

如果將總應變分解為塑性部分和彈性部分，即：

所以有：

圖5 應變-壽命曲線(ε-N曲線)

3 結 語

材料及其微觀結構在承受循環(huán)載荷時可能會發(fā)生變化，其力學性能與單軸應力-應變的單調(diào)變形結果相比較可能會發(fā)生顯著變化。低周疲勞主要研究材料在塑性階段的壽命，基于GB/T 26077-2021、GB/T 15248-2008、ASTM E606/E606M-2012，結合多年試驗機行業(yè)工作經(jīng)驗及對低周疲勞試驗的理解，對低周疲勞試驗過程、有效性判斷依據(jù)以及試驗結果的處理等進行了總結。金屬疲勞是非常普遍的，一般難以發(fā)現(xiàn)，所以認識疲勞現(xiàn)象、研究疲勞破壞規(guī)律及防止疲勞失效是非常重要的。