材料耐久疲劳试验是评估材料或构件在反复交变载荷作用下抵抗疲劳破坏能力的关键测试，广泛应用于航空航天、汽车制造、机械工程等领域，直接关系到产品的使用寿命和安全性。以下是关于该试验的详细介绍：

一、试验目的与意义

材料在交变应力（如拉伸 - 压缩、弯曲、扭转等）作用下，即使应力值低于材料的静态强度极限，经过一定次数的循环后也可能发生突然断裂，这种现象称为疲劳破坏。耐久疲劳试验的核心目的是：

确定材料或构件的疲劳极限（即经过无限次循环仍不发生破坏的最大应力值）；

绘制S-N 曲线（应力 - 循环次数曲线），描述不同应力水平下材料的疲劳寿命；

评估材料在长期交变载荷下的性能稳定性，分析疲劳断裂机制（如裂纹萌生、扩展路径）；

验证产品设计的合理性，为工程应用中的强度校核和寿命预测提供数据支持。

二、主要试验类型与原理

根据载荷形式和试验对象的不同，常见的耐久疲劳试验可分为以下几类：

1. 轴向疲劳试验（拉伸 - 压缩疲劳）

原理：通过试验机对试样施加轴向交变载荷（拉伸与压缩交替），载荷形式可分为对称循环（应力比 R=-1，如正弦波载荷）、非对称循环（如 R=0.1，拉伸应力为主）等。

适用场景：评估承受轴向力的构件，如螺栓、活塞杆、桥梁拉杆等。

2. 弯曲疲劳试验

原理：试样两端固定或一端固定另一端简支，通过偏心轮或电磁激励施加交变弯曲力矩，使试样横截面承受交变弯曲应力（最大应力出现在表面）。

分类：

旋转弯曲疲劳（试样旋转，载荷固定，应力方向随旋转变化）；

四点弯曲疲劳（通过两个加载点和两个支撑点形成均匀弯曲应力区）。

适用场景：轴类、板材、齿轮齿根等承受弯曲载荷的构件。

3. 扭转疲劳试验

原理：对试样施加交变扭矩，使材料承受交变剪切应力，用于评估材料抵抗扭转疲劳的能力。

适用场景：传动轴、弹簧等承受扭转载荷的部件。

4. 复合疲劳试验

原理：同时施加两种或多种交变载荷（如轴向 + 弯曲、拉伸 + 扭转），模拟实际工况中复杂的受力环境。

适用场景：航空发动机叶片（承受离心力 + 气动力）、汽车悬挂系统等。

5. 高频疲劳试验

原理：采用电磁共振或气动激励方式，实现高频率（100~200Hz）交变载荷，快速获取高循环次数（10⁷次以上）的疲劳数据。

优势：大幅缩短试验时间，适用于材料疲劳极限的快速测定。

三、核心试验设备

疲劳试验机

液压伺服疲劳试验机（载荷范围广，可实现复杂波形，适用于低至中频试验）；

电磁共振疲劳试验机（高频高效，能耗低，适用于高循环疲劳）；

机械式疲劳试验机（结构简单，成本低，适用于对称循环的常规试验）。

按驱动方式分类：

关键参数：最大载荷（如 ±100kN、±1000kN）、频率范围（0.01Hz~300Hz）、载荷精度（≤±1%）。

试样加工设备

需根据标准（如 GB/T 3075、ASTM E466）加工标准试样，确保试样表面光洁度（避免应力集中）、尺寸精度（如直径、过渡圆角）符合要求。

监测与分析系统

动态应变仪：实时监测试样应力 / 应变变化；

裂纹监测系统：通过声发射、红外成像或显微镜观察裂纹萌生与扩展；

数据采集软件：记录载荷 - 时间曲线、循环次数，自动绘制 S-N 曲线。

四、典型试验步骤（以轴向疲劳试验为例）

试样准备

选取代表性材料，加工成标准哑铃形或圆柱形试样（避免表面划痕，必要时进行抛光处理）；

测量试样尺寸（如直径、标距长度），计算横截面积；

对试样进行预处理（如热处理、表面涂层），模拟实际使用状态。

设备校准

校准载荷传感器、位移传感器，确保载荷精度和控制稳定性；

设定载荷波形（如正弦波、方波）、应力比 R（如 R=-1）、频率（如 10Hz）。

加载试验

将试样装夹在试验机夹头中，确保对中（避免附加弯曲应力）；

分组设定不同应力水平（如从高于预估疲劳极限的应力开始，逐步降低）；

启动试验机，记录每个应力水平下试样断裂时的循环次数（N）；若试样在规定循环次数（如 10⁷次）未断裂，则视为 “跑断”，记录该应力为安全应力。

结果分析

以应力幅值（S）为纵坐标，循环次数（N）为横坐标，在对数坐标下绘制 S-N 曲线；

确定疲劳极限（对于钢铁材料，通常取 10⁷次循环对应的应力值；非铁金属无明显疲劳极限，取特定循环次数下的应力值）；

观察断口形貌（通过扫描电镜），分析疲劳源位置、裂纹扩展区（贝纹线）和瞬时断裂区，判断疲劳失效原因。

五、关键影响因素

应力水平与循环特性

应力越高，疲劳寿命越短；应力比 R（最小应力 / 最大应力）影响显著（如 R=-1 的对称循环比 R=0.5 的非对称循环更严苛）。

试样状态

表面质量：表面粗糙度越高，应力集中越明显，疲劳寿命越低（如磨削加工试样比切削加工的寿命长）；

内部缺陷：材料中的夹杂物、气孔会成为疲劳源，降低疲劳强度（如铝合金的疏松缺陷）。

环境因素

温度：高温下材料易发生蠕变 - 疲劳耦合，加速失效；低温可能导致材料脆化，降低疲劳韧性；

介质：潮湿、腐蚀环境（如海水、酸雨）会引发应力腐蚀疲劳，显著缩短寿命（如桥梁钢结构在潮湿环境中的疲劳）。

加载频率

低频加载时，材料有更多时间发生塑性变形和裂纹扩展；高频加载可能因热效应导致局部温度升高，影响性能。

六、相关标准

国际标准：

ISO 13003《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》

ISO 1143《金属材料 旋转弯曲疲劳试验方法》

中国标准：

GB/T 3075《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》

GB/T 4337《金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方法》

GB/T 15248《金属材料 轴向等幅低循环疲劳试验方法》

美国标准：

ASTM E466《金属材料轴向疲劳试验标准方法》

ASTM E399《金属材料平面应变断裂韧性标准试验方法》（辅助评估疲劳裂纹扩展）