疲劳强度试验用于研究材料或零部件在反复载荷作用下产生裂纹并最终失效的过程。工程构件即使承受的循环应力明显低于一次拉伸时的抗拉强度，经过大量载荷循环后仍可能发生疲劳断裂，因此车辆零部件、机械结构、紧固件、弹性元件及金属结构件的可靠性设计不能仅依据静态强度数据。
一：疲劳强度试验概述
疲劳失效通常经历裂纹萌生、稳定扩展和最终瞬断三个阶段。表面划伤、夹杂物、几何缺口、焊接缺陷、残余应力和腐蚀环境均可能加速裂纹产生。
疲劳试验主要用于获得：
- 规定应力水平下的疲劳寿命；
- 规定循环次数对应的疲劳强度；
- 应力幅与失效循环次数之间的S-N关系；
- 应变幅与寿命之间的低周疲劳关系；
- 不同材料、热处理或表面处理方案的疲劳性能差异；
- 环境、缺口及结构因素对疲劳寿命的影响。
“疲劳强度”和“疲劳寿命”需要区分。疲劳强度通常表示在规定循环次数条件下材料能够承受的应力水平，而疲劳寿命则表示在特定循环载荷下达到失效时经历的循环次数。
二：试验方法与加载方式
轴向力控制疲劳
轴向力控制试验沿试样轴线施加周期性拉伸、拉压或压缩载荷，通过控制最大力、最小力、应力幅及应力比研究材料的高周疲劳性能。
常用参数包括：
- 最大应力：一个循环中的最高应力。
- 最小应力：一个循环中的最低应力。
- 应力幅：最大应力与最小应力差值的一半。
- 平均应力：最大应力与最小应力的平均值。
- 应力比R：最小应力与最大应力之比。
- 循环频率：单位时间内完成的载荷循环次数。
应变控制疲劳
应变控制常用于低周疲劳研究。试验通过控制总应变幅或塑性应变幅，使材料反复经历弹塑性变形，适合研究启停、热循环及较大局部变形条件下的疲劳行为。
旋转弯曲疲劳
试样在旋转状态下承受恒定弯矩，使表面材料周期性经历拉伸与压缩，用于评价金属材料弯曲疲劳性能。旋转弯曲试验对于轴类、线材及类似受弯结构具有较强参考意义。
轴向平面弯曲疲劳
平面弯曲方式使试样在一个平面内周期性受弯，可用于评价板材、薄壁结构及适合该加载模式的金属材料。
| 加载方式 | 主要控制量 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 轴向力控制 | 应力或载荷 | 高周疲劳、拉压疲劳 |
| 轴向应变控制 | 应变幅 | 低周疲劳、弹塑性循环 |
| 旋转弯曲 | 弯曲应力 | 轴类及金属材料弯曲疲劳 |
| 平面弯曲 | 弯曲载荷或应力 | 板材及平面受弯结构 |
三：相关标准
疲劳试验方法应根据材料、加载形式和测试目的选择。常用国家标准包括：
- GB/T 3075-2021《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》，目前为现行标准，适用于轴向力控制疲劳试验。
- GB/T 26077-2021《金属材料 疲劳试验 轴向应变控制方法》，适用于应变控制疲劳性能评价。
- GB/T 4337-2025《金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方法》，已于2026年3月1日实施，目前为现行标准。
- GB/T 45878-2025《金属材料 疲劳试验 轴向平面弯曲方法》，已于2026年1月1日实施。
- GB/T 38250-2019《金属材料 疲劳试验机同轴度的检验》，用于疲劳试验系统同轴度相关检验。
聚合物基复合材料、焊接结构、紧固件及具体零部件还可能具有专用疲劳测试标准，因此项目启动前需要明确测试对象究竟是标准材料试样还是实际产品。
四：试验流程
- 明确试验目标：确定需要获得S-N曲线、规定寿命疲劳强度、单一应力水平寿命还是低周疲劳性能。
- 确定材料和取样：记录材料牌号、热处理、取样方向和加工状态。
- 制备试样：按照标准控制试样尺寸、过渡圆角和表面质量。
- 测量试样：记录关键尺寸，必要时计算有效截面积。
- 安装对中：保证试样轴线与加载轴尽可能重合。
- 设置载荷参数：确定最大值、最小值、应力比、频率和波形。
- 开始循环加载：持续记录循环次数、载荷及必要的位移或应变数据。
- 监测试验：观察温升、异常变形和裂纹产生情况。
- 达到终止条件：试样断裂、刚度下降至规定值或达到规定循环次数后停止。
- 统计分析：整理不同应力水平下的寿命数据并建立疲劳关系。
疲劳试验对设备力值稳定性、试样对中和表面质量较敏感。微小偏心载荷可能额外产生弯曲应力，因此高质量疲劳数据需要严格控制试样加工和安装状态。
五：第三方试验服务
第三方疲劳试验可用于材料研发、零部件设计验证、工艺对比及失效分析。根据测试目的，可开展单一载荷水平试验，也可采用多个应力水平建立完整疲劳曲线。
常见试验内容包括：
- 金属轴向拉压疲劳试验；
- 高周疲劳寿命测试；
- 低周应变疲劳测试；
- 旋转弯曲疲劳试验；
- 平面弯曲疲劳试验；
- S-N曲线建立；
- 规定循环次数疲劳强度测定；
- 不同热处理、表面处理或材料方案疲劳性能对比；
- 疲劳断裂样品失效分析。
疲劳项目的试验时间与循环次数、加载频率、样品数量及是否需要建立统计曲线密切相关。完整S-N曲线通常需要多个应力等级及多件平行样品，不宜按普通单项力学试验估算工作量。
六：寿命预测应用
S-N曲线
S-N曲线表示应力水平S与疲劳寿命N之间的关系。通常在多个应力水平下测试若干试样，根据各组失效循环次数建立曲线，从而估算材料在给定应力水平下的疲劳寿命。
对于设计寿命明确的零部件，可从曲线中确定目标循环次数对应的允许应力区间，为结构设计提供依据。
疲劳性能影响因素
| 因素 | 对寿命的影响 |
|---|---|
| 表面粗糙度 | 表面缺口可能成为疲劳裂纹萌生源 |
| 应力集中 | 孔、槽、尖角等局部结构可能显著降低寿命 |
| 残余应力 | 拉伸残余应力通常不利于疲劳，压缩残余应力可能延缓裂纹萌生 |
| 材料缺陷 | 夹杂、孔隙和裂纹会提高局部应力集中程度 |
| 腐蚀环境 | 腐蚀与循环应力共同作用可能明显缩短寿命 |
| 平均应力 | 不同应力比条件下疲劳寿命可能明显不同 |
实验室获得的疲劳曲线不能脱离实际工况直接作为产品使用寿命。工程预测还需要考虑载荷谱、环境、温度、尺寸效应、制造缺陷和安全系数等因素。
七：总结
疲劳强度试验是研究材料循环载荷失效和寿命规律的重要方法。根据实际工况选择轴向力控制、应变控制、旋转弯曲或平面弯曲方式，并合理设计应力比、频率、试样数量和终止条件，可以获得疲劳寿命、规定寿命疲劳强度及S-N曲线等关键数据。对于长期承受交变载荷的工程材料和零部件，疲劳数据通常比单次静态强度更能反映实际可靠性。
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