低周疲勞試驗研究

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(yīng)力和應(yīng)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(gòu)件疲勞失效時所經(jīng)受的規(guī)定應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)，是設(shè)計人員和工程技術(shù)人員關(guān)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(yīng)變，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線稱為滯后回線。低周疲勞應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線如圖1所示。

圖1 低周疲勞應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線

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

每一應(yīng)力產(chǎn)生的總應(yīng)變Δεt為：

Δεt=Δεe+Δεp

式中，Δεe為彈性應(yīng)變范圍；Δεp為塑性應(yīng)變范圍。

每次循環(huán)過程中，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(yīng)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(yīng)變范圍。當(dāng)大于2%時，有必要采用漏斗形試樣。

按照低周疲勞的相關(guān)標準，可以把試樣分為標準試樣及非標試樣，應(yīng)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(fēng)險，從而避免在圓弧過渡部分發(fā)生失效。

(7)使應(yīng)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(yīng)變時的信號干擾和滑動。

(9)試樣的平行段的長度應(yīng)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(fēng)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(dāng)控制應(yīng)變恒定時，其應(yīng)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(yīng)力的終止試驗條件)。循環(huán)軟化是在循環(huán)加載過程中，當(dāng)控制應(yīng)變恒定時，應(yīng)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(yīng)力的終止試驗條件)?；趹?yīng)力的終止試驗條件如圖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(yīng)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(yīng)變范圍。根據(jù)試驗要求也可以控制非彈性應(yīng)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(yīng)變范圍很小。若能保持所要求的應(yīng)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(yīng)嚴格控制所用變量的極限。

除試驗?zāi)康氖茄芯科鹗技虞d效應(yīng)外，所有試驗應(yīng)以相同的拉伸或壓縮半循環(huán)開始。

波形：除試驗?zāi)康氖菧y定波形影響外，在整個試驗過程中，應(yīng)變或應(yīng)力對時間波形應(yīng)保持一致。在無特定要求或設(shè)備受限制時，一般采用三角波。設(shè)備一般都可以實現(xiàn)正弦波、梯形波等。

應(yīng)變速率：除試驗?zāi)康氖菧y定應(yīng)變速率或頻率影響外，試驗應(yīng)變速率應(yīng)保持不變。

2.4 失效判據(jù)

根據(jù)試驗?zāi)康暮退嚥牧咸匦源_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(yīng)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(dāng)此裂紋增長到符合試驗?zāi)康囊蟮哪骋活A(yù)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(yīng)力減去壓縮加載曲線拐點處的應(yīng)力，達到峰值壓應(yīng)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(zhì)、孔洞或機加工缺陷等情況，則結(jié)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(yīng)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(jié)果產(chǎn)生影響，影響通常與下列因素有關(guān)：

(1)試樣的表面粗糙度。

(2)殘余應(yīng)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(yīng)變硬化引起的，這也是引起相變、表面再結(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)果處理

Manson-Coffin公式：

Basquin’s公式：

如果將總應(yīng)變分解為塑性部分和彈性部分，即：

所以有：

圖5 應(yīng)變-壽命曲線(ε-N曲線)

3 結(jié) 語

材料及其微觀結(jié)構(gòu)在承受循環(huán)載荷時可能會發(fā)生變化，其力學(xué)性能與單軸應(yīng)力-應(yīng)變的單調(diào)變形結(jié)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(jié)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(jié)果的處理等進行了總結(jié)。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。