试验机上的疲劳试验

循环载荷下的材料疲劳

在疲劳试验中，材料疲劳是通过一个具有相应测试频率的循环载荷来诱发的。 这可能涉及拉伸或压缩中的脉动加载试验，以及对拉伸和压缩部件进行的交变载荷试验。

疲劳试验中的材料失效通常发生在远低于静态强度极限的情况下。

疲劳试验的结果通常以应力-载荷循环图的形式呈现。 这里绘制了试样断裂循环数随循环应力振幅的变化图。

疲劳试验一方面用于测定特性值，另一方面用于测定疲劳寿命。

常见疲劳试验

高周疲劳试验 / S-N试验

在根据DIN 50100进行的高周疲劳试验（也称为S-N试验）中，以中低循环振幅对试样进行试验。

高周疲劳试验（S-N试验），按照DIN 50100、ASTM E466-15、ISO 1099标准

高周疲劳(HCF)试验

在根据DIN 50100 / ASTM E466-15 / ISO 1099进行的高周疲劳试验（也称为S-N试验）中，通过周期性变化的（循环）载荷对材料或部件施加应力。 ASTM D3479介绍了对复合材料的试验。

高周疲劳试验用于测定拉伸、压缩、弯曲和扭转载荷下的有限寿命疲劳强度和高周疲劳强度​​。

在高周疲劳试验中，载荷幅和平均载荷在单级疲劳试验中是恒定的。 根据载荷幅的大小，可以在试样失效前以不同的频率施加。

根据DIN 50100 / ASTM E466-15 / ISO 1099执行高周疲劳试验

在高周疲劳试验中，测定材料或部件的有限寿命疲劳强度和高周疲劳强度。为此会循环加载大量试样。

• 进行S-N试验，直到试样出现规定的失效（断裂、裂纹）。
• 该试验定义了特定的循环数（循环数阈值）。如果试样达到此循环数阈值而无可识别的失效，则认为其是耐用的或称为跳动试样。

在每次高周疲劳试验中，循环载荷的平均应力、高应力和低应力是恒定的。对于同一S-N曲线上的试验，要么只改变平均应力，要么只改变高应力与低应力之比。

S-N曲线（Woehler曲线）

在多个高周疲劳试验中测定的循环应力幅和循环数的测量值可得到S-N曲线​。

从S-N图中，您可以读取特定载荷幅的载荷变化最大次数。

S-N曲线分为三个区域：

• 低周疲劳K：高载荷幅会在试样上产生塑性应变，并导致试样在进行低数量的循环后失效。DIN 50100标准中不涉及低周疲劳区域。

• 有限寿命疲劳Z：根据载荷幅的大小，试样只能承受一定数量的循环。

• 高周疲劳D：根据载荷幅，会出现断裂和跳动。

有限寿命疲劳曲线

在双对数表示中，S-N曲线的有限寿命疲劳范围几乎是直的。这条直线也称为有限寿命疲劳曲线。

有限寿命疲劳曲线的位置和斜率取决于多种影响因素：

• 材料
• 试样几何形状
• 载荷类型
• 生产条件
• 热处理方式
• 表面粗糙度

用于根据DIN 50100 / ASTM E466-15 / ISO 1099执行高周疲劳试验的产品

为了产生高周疲劳试验所需的载荷幅，可以使用不同的试验机。试验机必须能够补偿试样刚度或试验装置的调整或变化。

低周疲劳(LCF)试验

在根据ISO 12106 / ASTM E606进行的低周疲劳(LCF)试验中，试样在高周幅和塑性变形下进行试验。

低周疲劳(LCF)试验，按照ISO 12106 / ASTM E606标准

低周疲劳强度的测定

低周疲劳指的是在低循环数下的疲劳强度。

根据ISO 12106和ASTM E606进行的低周疲劳(LCF)试验是模拟循环载荷直至失效的疲劳试验。 通常使用电液伺服疲劳试验机执行该试验。

承受极端热力载荷和机械载荷的材料只能在其低周疲劳范围内进行设计，即达到最大载荷变化次数105。 主要的例子包括用于飞机发动机的涡轮叶片和盘片，以及用于发电的固定式涡轮机。 此外，LCF试验还用于废气涡轮增压器、排气歧管和其他类似部件。 在这些部件中，设计的缺口（如刀片-盘片连接）受到应变诱导的塑性循环变形，这迟早会导致破裂。 在低周疲劳(LCF)试验中，在试样上模拟这些载荷，并测定裂纹萌生循环数。 试验通常在高温下进行。 试验频率通常在0.01到5 Hz之间。

为此特别需要使用试验机和试验机控制系统。 在从弹性变形向塑性变形过渡期间，试样的刚度变化显著，控制器必须迅速做出反应，例如保证恒定的应变增加速率。 此时，试验机的极高刚度起着至关重要的作用。

相关标准

• ISO 12106金属材料 - 疲劳试验 - 轴向应变控制法
• ASTM E606应变控制疲劳试验的标准试验方法 
• BS 7270金属材料 – 恒定振幅应变控制疲劳试验

低周疲劳试验中的载荷

低周疲劳试验中的载荷包括弹性Ɛa,e和塑性Ɛa,p应变比：Ɛa,t = Ɛa,e + Ɛa,p

在弹性范围内，应力和应变之间存在线性关系（胡克定律），而在塑性范围内，这种关系是非线性的。这会导致迟滞循环。

按照ISO 12106 / ASTM E606的低周疲劳试验以恒定振幅运行。此外，还可以引入保载时间来检查蠕变/松弛过程。使用三角波形作为设置值，或使用梯形波作为保载时间。

如果要模拟特定的工作载荷，其他应变-时间序列也是可行的。因此，低周疲劳试验也采用叠加的较高频率振荡进行。

尽管该限值不断向上移动，但试验频率通常低于或等于1 Hz，结果是LCF试验在不超过10 Hz的频率下进行。

应变控制用于这些LCF试验。只有在特殊情况下，为了研究蠕变试验，在稳定的迟滞范围或保载时间内，力控制才会发生变化。对于材料特性，通常以-1的RƐ比进行试验。

低周疲劳试验程序

仔细安装后，将试样加热至试验温度。为此，试验机处于力控制模式，设置值为0 kN。一旦达到要求的温度，就连接引伸计。如果在加热过程中，试样上已经有引伸计，就必须给出一个变化余量L0。现在选择应变控制并开始试验。

初始循环是特别重要的，因为材料在这时可能表现出截然不同的性能。

然而，稳定的迟滞通常是在经过一定循环数后建立的。还有许多既不硬化也不软化的材料

循环硬化

一些材料在初始循环过程中经历应变硬化，即达到设置的应变所需的力随循环而增加。

循环软化

其他材料表现出恰恰相反的性能；它们变得更软，所需的力也减少。

试验结束

试验结束时的低周疲劳通常定义为稳定迟滞回归线的力减少百分比。

由于材料的这种性能，在开始时记录每个迟滞循环至关重要。在稳定的范围内足够进行储存，例如每百分之一或千分之一。通常选择对数间隔，并将力的百分比变化额外定义为存储循环的标准。在试验即将结束时，应再次记录每个循环。

用于低周疲劳试验的测试软件

用于根据ASTM E606标准对金属进行低周疲劳强度的应变控制测测试软件用于根据ASTM E606标准对金属进行低周疲劳强度的应变控制测定。设定值通常是振幅恒定的三角形波形。也可能是正弦信号。

应变控制需要合适的引伸计。试验通常在高温下进行。

由于材料行为不同（软化或硬化），在开始时记录所有迟滞循环非常重要。循环的数量可由用户自由定义。