高頻疲勞測試，不是所有的金屬材料都適合，為什么？

金屬疲勞是指金屬材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下，經(jīng)過一定次數(shù)的應(yīng)力循環(huán)后，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，最終導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象。這種破壞通常在沒有顯著塑性變形的情況下發(fā)生，因此具有突發(fā)性和危險(xiǎn)性。

金屬材料疲勞試驗(yàn)是指在一定條件下，對金屬材料施加交變載荷或者循環(huán)載荷，以評價(jià)其在循環(huán)應(yīng)力下的耐久性和抗疲勞性能。主要有應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞，應(yīng)力疲勞通常對應(yīng)高周疲勞，而應(yīng)應(yīng)變疲勞通常對應(yīng)低周疲勞。低周疲勞通常指10的四次方以下的疲勞，高周疲勞通常指10的四次方以上的疲勞，關(guān)于低周疲勞和高周疲勞的界限不是物理上的，是領(lǐng)域內(nèi)的習(xí)慣性或經(jīng)驗(yàn)性定義。金屬材料的疲勞試驗(yàn)的主要目的是確定材料的疲勞極限、疲勞壽命以及疲勞裂紋擴(kuò)展速率，從而幫助預(yù)測材料在長期使用中的壽命和安全性。

常用疲勞試樣幾何尺寸

金屬材料的疲勞試驗(yàn)如何設(shè)計(jì)取決于其實(shí)際服役工況需求。大多數(shù)金屬材料均要求服役時(shí)間較長，具有較長的疲勞壽命，因而以應(yīng)力疲勞測試為主，在不同的應(yīng)力幅下測試金屬材料的疲勞壽命，,通過測試獲得S-N曲線或疲勞極限。在高周疲勞范圍內(nèi)有限疲勞壽命的情況下，以S-N曲線來評價(jià)金屬材料的疲勞壽命，測試主要采用成組法，即在每個(gè)應(yīng)力幅測試一組（多個(gè)，通常為3支）樣品，而測試金屬材料的疲勞極限則主要采用升降法。

不同狀態(tài)Ti–6Al–4V樣品的S-N曲線

（Tatsuro Morita, 2020）

金屬材料的疲勞測試參數(shù)主要是根據(jù)材料的實(shí)際服役工況設(shè)計(jì)材料的疲勞樣品形狀和測試參數(shù)。不同的工況采用的應(yīng)力加載的波形不同，如常用的正弦波或方波。加載的頻率是一個(gè)非常重要的參數(shù)。根據(jù)加載頻率不同，常用的有工頻、高頻和超聲。工頻在50HZ以下，高頻為50-300HZ，超聲疲勞通常為20kHZ。

如何選用測試頻率應(yīng)從兩個(gè)方面來看：一方面，應(yīng)根據(jù)實(shí)際服役工況要求，越貼近實(shí)際服役工況，越能準(zhǔn)確反應(yīng)材料在實(shí)際服役工況下的疲勞行為；另一方面，對于大多數(shù)科學(xué)研究所使用的金屬材料，因?yàn)樗创_定具體服役工況，僅是反應(yīng)材料的物理特性，這種情況下可以選用加速實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槠跍y試頻率較低時(shí)，測試時(shí)間特別長，成本特別高。

本期內(nèi)容主要介紹一下高頻疲勞試驗(yàn)。高頻疲勞通常指的是在高頻（一般大于50Hz）載荷作用下的疲勞行為。它主要關(guān)注材料或構(gòu)件在高頻振動(dòng)或交變載荷下的疲勞性能。

高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)是進(jìn)行高頻疲勞試驗(yàn)的主要設(shè)備。據(jù)小編了解，目前高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)國內(nèi)三個(gè)品牌，均在長春，它們是中機(jī)、仟邦和浩園，它的生產(chǎn)的設(shè)備各有各的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)能夠模擬高頻載荷環(huán)境，對材料或構(gòu)件進(jìn)行快速、高效的疲勞測試，因此能夠顯著節(jié)約疲勞測試的成本。由于試驗(yàn)頻率高，可以在短時(shí)間內(nèi)完成大量的疲勞試驗(yàn)次數(shù)，提高試驗(yàn)效率，特別是超高周疲勞測試，金屬材料的壽命在10七次方甚至至10的九次方的測試任務(wù)。這類試驗(yàn)機(jī)能夠模擬高頻載荷環(huán)境，對材料或構(gòu)件進(jìn)行疲勞測試。測試頻率對體心立方金屬和密排六方金屬疲勞壽命影響如下圖所示。

試驗(yàn)頻率對BCC和HCP金屬疲勞壽命的影響 

(a)c.p. Nb ann.;  (b)c.p. Nb cw;  (c)c.p. Ta ann.;  (d)c.p. Ta cw; (e)c.p. Ti ann. ; (f) Ti–6Al–7Nb alloy

(M. Papakyriacou,2001)

Guennec等人研究了JIS S15C低碳鋼在0.2 Hz至20 kHz的常規(guī)負(fù)載頻率和超聲波負(fù)載頻率下的疲勞行為。低碳鋼對加載頻率具有特別敏感的疲勞性能。加載頻率的增加會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命的延長。下圖給出了JIS S15C低碳鋼在f=0.2 Hz和f=140 Hz的常規(guī)加載頻率以及20 kHz的超聲加載頻率下疲勞至疲勞壽命25%的試樣上發(fā)現(xiàn)的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)，將加載頻率從0.2 Hz改變到140 Hz對S15C鋼的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)沒有明顯影響，這說明在該頻率范圍內(nèi)，材料的疲勞累積損傷的機(jī)制未發(fā)生明顯變化。在20 kHz的超聲高頻下，發(fā)現(xiàn)與在較低加載頻率下觀察到的結(jié)果存在顯著差異，說明低碳鋼的超聲疲勞與高頻疲勞相比，累積損傷的機(jī)制是有變化的，這一點(diǎn)值得引起注意。

JIS S15C低碳鋼在不同加載頻率下的位錯(cuò)組態(tài)

(a)0.2 Hz位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)；(b)0.2 Hz梯形結(jié)構(gòu)；(c)140 Hz位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)；(d)140 Hz梯形結(jié)構(gòu)；(e)20 kHz位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)；(f)20kHz的梯形結(jié)構(gòu)。(Kamin Tahmasbi， 2023)

疲勞試驗(yàn)的目的通常是為了評估材料在特定載荷和環(huán)境條件下的疲勞壽命和性能。然而，并非所有材料都需要在高頻載荷下進(jìn)行測試。例如，一些工程結(jié)構(gòu)或設(shè)備可能主要承受低頻或靜態(tài)載荷，因此使用低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)或靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)更為合適。

一些材料在高頻振動(dòng)下可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲、振動(dòng)或發(fā)熱問題，這些問題可能干擾測試結(jié)果的準(zhǔn)確性或使測試無法進(jìn)行。一些強(qiáng)度較高塑性略低的材料比較適合采用高頻疲勞試驗(yàn)，如鈦合金、高強(qiáng)鋁合金，高強(qiáng)度鋼等。

主要原因是，塑性較好的材料在高頻加載過程中，內(nèi)耗嚴(yán)重，試驗(yàn)加載過程中樣品發(fā)熱，熱量無法及時(shí)散掉會(huì)影響測試結(jié)果。這些材料在高頻載荷作用下，能夠展現(xiàn)出其獨(dú)特的疲勞性能，通過高頻疲勞測試可以評估其疲勞壽命和疲勞極限，為工程應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

此外，采用激光噴丸、機(jī)械噴丸等表面強(qiáng)化技術(shù)處理的金屬材料旨在開展表面強(qiáng)化提升疲勞性能研究的情況下，較適合采用高頻疲勞測試，因?yàn)樗軜O大的節(jié)約測試成本和研發(fā)周期。

高頻疲勞試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、軌道交通等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的材料和構(gòu)件經(jīng)常需要承受高頻振動(dòng)或交變載荷。高頻疲勞試驗(yàn)?zāi)軌蛟u估材料和構(gòu)件在高頻載荷作用下的疲勞性能，確保其在復(fù)雜工況下的安全性和可靠性。

聲   明：文章內(nèi)容來源于金屬材料科學(xué)與技術(shù)。