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材料疲勞試驗方法與疲勞斷裂試驗標準

來源:凱爾測控試驗系統(tǒng)(天津)有限公司   2025年08月12日 14:53  
材料疲勞試驗方法

疲勞試驗可以預(yù)測材料或構(gòu)件在交變載荷作用下的疲勞強度,一般該類試驗周期較長,所需設(shè)備比較復(fù)雜,但是由于一般的力學(xué)試驗如靜力拉伸、硬度和沖擊試驗,都不能夠提供材料在反復(fù)交變載荷作用下的性能,因此對于重要的零構(gòu)件進行疲勞試驗是必須的。

金屬材料疲勞試驗的一些常用試驗方法通常包括單點疲勞試驗法、升降法、高頻振動試驗法、超聲疲勞試驗法、紅外熱像技術(shù)疲勞試驗方法等。




01



>>>>單點疲勞試驗法

單點疲勞試驗法聚焦于材料或構(gòu)件的某一特定局部點,通過對該點施加交變載荷,研究其在疲勞過程中的性能變化 。這種方法常用于分析存在應(yīng)力集中、幾何突變等特殊部位的疲勞行為,例如齒輪齒根、焊接接頭等關(guān)鍵區(qū)域。在實際操作中,試驗人員會在目標點附近加工小尺寸試樣,或?qū)⒃嚇釉O(shè)計成能突出該點受力特征的形狀,然后使用小型疲勞試驗機施加精確控制的交變載荷。

通過單點疲勞試驗,能夠獲取特定點的疲勞壽命、裂紋萌生與擴展規(guī)律等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對于評估結(jié)構(gòu)件在局部高應(yīng)力區(qū)域的可靠性至關(guān)重要,有助于工程師優(yōu)化設(shè)計,增強結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵部位的抗疲勞能力,避免因局部疲勞失效引發(fā)整體結(jié)構(gòu)破壞。




02



>>>>升降法疲勞試驗

升降法是一種高效測定材料疲勞極限的試驗方法,尤其適用于疲勞壽命較長、傳統(tǒng)方法測試效率較低的情況。該方法基于統(tǒng)計學(xué)原理,以初始應(yīng)力水平對試樣進行疲勞試驗,若試樣在規(guī)定循環(huán)次數(shù)內(nèi)未發(fā)生斷裂,則降低下一個試樣的應(yīng)力水平;若試樣斷裂,則提高下一個試樣的應(yīng)力水平。通過一系列試樣的試驗,使應(yīng)力水平在疲勞極限附近上下波動,最終依據(jù)統(tǒng)計學(xué)方法計算出材料的疲勞極限。

升降法的優(yōu)勢在于能夠用較少的試樣數(shù)量獲得較為準確的疲勞極限數(shù)據(jù),大大節(jié)省了試驗時間和成本。在新材料研發(fā)、質(zhì)量控制等環(huán)節(jié),它能快速給出材料疲勞性能的關(guān)鍵指標,為材料的合理選用和性能對比提供有力支持。




03



>>>>高頻振動疲勞試驗法

高頻振動試驗法利用高頻激振設(shè)備,使試樣在高頻交變載荷(通常頻率在 100Hz - 20kHz)下進行疲勞試驗。較高的試驗頻率大幅縮短了完成一定循環(huán)次數(shù)所需的時間,提高了試驗效率,適用于快速評估材料的疲勞性能。

在實際應(yīng)用中,高頻振動試驗法常被用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域。例如,對航空發(fā)動機葉片、汽車發(fā)動機零部件等進行疲勞測試,可在較短時間內(nèi)模擬大量實際工況下的應(yīng)力循環(huán),獲取材料的疲勞壽命和性能數(shù)據(jù),加速產(chǎn)品研發(fā)進程,確保零部件在服役過程中的可靠性。




04



>>>>超聲法疲勞試驗

超聲疲勞試驗法采用超聲頻率(一般大于 20kHz)的振動載荷對試樣進行疲勞測試。該方法通過超聲換能器將電能轉(zhuǎn)換為高頻機械振動,傳遞給試樣,使其在高頻率下承受交變應(yīng)力。

超聲疲勞試驗的突出特點是能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)大量的應(yīng)力循環(huán),可研究材料在超高周疲勞(循環(huán)次數(shù)大于 10?次)條件下的性能。對于一些需要服役數(shù)十年的關(guān)鍵構(gòu)件,如橋梁、核電站壓力容器等,超聲疲勞試驗?zāi)苡行гu估材料在超長壽命周期內(nèi)的疲勞行為,為結(jié)構(gòu)的長期安全性設(shè)計提供重要依據(jù)。同時,由于試驗頻率高,還可研究應(yīng)變率對材料疲勞性能的影響。



05



>>>>紅外熱像技術(shù)疲勞試驗方法

紅外熱像技術(shù)疲勞試驗方法是將紅外熱像儀與疲勞試驗相結(jié)合的新型檢測手段。在疲勞試驗過程中,材料內(nèi)部的微觀損傷、塑性變形等會產(chǎn)生熱量,導(dǎo)致表面溫度發(fā)生變化。紅外熱像儀能夠?qū)崟r捕捉試樣表面的溫度場分布及其變化情況,通過分析溫度變化特征,可推斷材料的疲勞損傷程度、裂紋萌生位置和擴展趨勢。

該方法具有非接觸、可視化、實時監(jiān)測等優(yōu)點,無需在試樣上安裝復(fù)雜的傳感器,不會對試樣的疲勞行為產(chǎn)生干擾。在復(fù)合材料、異種金屬焊接接頭等復(fù)雜材料的疲勞研究中,紅外熱像技術(shù)能夠直觀地呈現(xiàn)材料疲勞過程中的損傷演化,為深入理解材料疲勞機制提供豐富的信息,也有助于實現(xiàn)疲勞試驗過程的智能化監(jiān)測與控制。



疲勞斷裂試驗標準
1、金屬材料疲勞、斷裂試驗標準
(1) ASTM 相關(guān)標準


  • ASTM E739 線性或線性化應(yīng)力-壽命(S-N)和應(yīng)變-壽命(e-N)

  • ASTM E647 疲勞裂紋擴展速率試驗方法

  • ASTM E468 Standard Practice for Presentation of Constant Amplitude Fatigue Test Results for Metallic Materials

  • ASTM E466 金屬材料力控制恒幅軸向疲勞試驗方法

  • ASTM E399 Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Material

  • ASTM E561 Standard Test Method for K-R Curve Determination

  • ASTM E740 Standard Practice for Fracture Testing with Surface-Crack Tension Specimens

  • ASTM E1152 Standard Test Method for determining J-R Curves

  • ASTM E1820 Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness

  • ASTM E606/E606M Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing

  • ASTM E1942 Standard Guide for Evaluating Data Acquisition Systems Used in Cyclic Fatigue and Fracture Mechanics Testing

  • ASTM E2472 Standard Test Method for Determination of Resistance to Stable Crack Extension under Low-Constraint Conditions

  • ASTM B646 Standard Practice for Fracture Toughness Testing of luminum Alloys

  • ASTM E2818 Standard Practice for Determination of Quasistatic Fracture Toughness of Welds

(2) GB相關(guān)標準


  • GB/T 3075 金屬軸向疲勞試驗方法

  • GB/T 6398 金屬材料裂紋擴展試驗方法

  • GB/T 4337 金屬旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法

  • GB/T 7733 金屬旋轉(zhuǎn)彎曲腐蝕疲勞試驗方法

  • GB/T 12443 金屬扭應(yīng)力疲勞試驗方法

  • GB/T 7732 金屬材料表面裂紋拉伸試樣斷裂韌度試驗方法

  • GB/T 21143 金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法

  • GB/T 24176 金屬材料疲勞試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方案與分析方法

  • GB/T 2107 金屬高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法

  • GB/T15248 金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法

  • GB/T10622 金屬材料滾動接觸疲勞試驗方

  • GB/T 4161 金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度試驗方法

  • GB/T 2038 金屬材料延性斷裂韌度試驗方法

  • GB/T 26077 金屬材料疲勞試驗軸向應(yīng)變控制方法

  • GB/T 26076 金屬薄板(帶)軸向力控制疲勞試驗方法

  • GB/T 27595 膠粘劑結(jié)構(gòu)膠粘劑拉伸剪切疲勞性能的試驗方法

  • GB/T 12443 金屬材料扭應(yīng)力疲勞試驗方法

  • GB/T 13682 螺紋緊固件軸向疲勞試驗方法

  • GB/T 30064 金屬材料鋼構(gòu)件斷裂評估中裂紋端張開位移(CTOD)斷裂韌度的拘束損失修正方法

  • GB/T 24522 金屬材料低拘束試樣測定穩(wěn)定裂紋擴展阻力的試驗方法

  • GB/T 28896 金屬材料焊接接頭準靜態(tài)斷裂韌度測定的試驗方法

  • GB/T 27551 金屬材料焊縫破壞性試驗斷裂試驗

(3) HB相關(guān)標準


  • HB 5142 金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度試驗方法

  • HB 5152 金屬室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法

  • HB 5153 金屬高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法

  • HB 5217 金屬低周熱疲勞試驗方法

  • HB 5277 發(fā)動機葉平及材料振動疲勞試驗方法

  • HB 5287 金屬材料軸向加載疲勞試驗方法

  • HB 5279 金屬板材表面裂紋斷裂韌性試驗方法

  • HB 5487 鋁合金斷裂韌度試驗方法

  • HB 6626 金屬材料在含水介質(zhì)中疲勞裂紋擴展速率試驗方法

  • HB 7572 金屬材料(人字形缺口)平面應(yīng)變斷裂韌度試驗方法

  • HB 7680 金屬材料高溫疲勞裂紋擴展速率試驗方法

  • HB 7705 金屬材料疲勞小裂紋擴展速率試驗方法

  • HB 6442 飛機液壓導(dǎo)管及連接件彎曲疲勞試驗

  • HB 7680 高溫疲勞裂紋擴展速率試驗方法

  • HB 5261 金屬板材K-R曲線試驗方法

  • HB 6660 金屬板材熱疲勞試驗方法

  • HB 7110 金屬材料細節(jié)疲勞額定強度截止值(DFRcutoff)試驗方法

  • HB/Z 112 材料疲勞試驗統(tǒng)計分析方法

  • HB 20041 航空發(fā)動機軸類部件疲勞試驗方法

(4) GJB相關(guān)標準


  • GJB 2030 高溫下金屬材料斷裂韌度試驗方法

  • GJB 1997 金屬材料軸向腐蝕疲勞試驗方法

  • GJB 715.30A 緊固件試驗方法-拉伸疲勞

  • GJB 715.30 緊固件試驗方法-抗拉疲勞

  • GJB 715.9 緊固件試驗方法-抗剪接頭疲勞

2、復(fù)合材料疲勞、斷裂試驗標準

(1) ASTM相關(guān)標準




  • ASTM D5528 Standard Test Method for ModeI Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites

  • ASTM D3479/D3479 MStandard Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials

  • ASTM D7774 Standard Test Method for Flexural Fatigue Properties of Plastics

  • ASTM D7791 Standard Test Method for Uniaxial Fatigue Properties of Plastics

  • ASTM D4482 Standard Test Method for Rubber Property-ExtensionCycling Fatigue

  • ASTM D7615/D7615M Standard Practice for Open-Hole Fatigue Response of Polymer Matrix Composite Laminates

  • ASTM D3166 Standard Test Method for Fatigue Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading (Metal/Metal)

  • ASTM D6115 Standard Test Method for ModeI Fatigue Delamination Growth Onset of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer atrixComposites

  • ASTM E1049 Standard Practices for Cycle Counting in Fatigue Analysis




(2) GB相關(guān)標準






  • GB/T 16779 纖維增強塑料層合板拉-拉疲勞性能試驗方法

  • GB/T 28891-2012 纖維增強塑料復(fù)合材料單向增強材料Ⅰ型層間斷裂韌性的測定





(3) HB相關(guān)標準






  • HB 7624 碳纖維復(fù)合材料層合板彎曲疲勞試驗方法

  • HB 5268 有機玻璃板材斷裂韌度試驗方法

  • HB 7402 碳纖維復(fù)合材料層合板I型層間斷裂韌性試驗方法

  • HB 7403 碳纖維復(fù)合材料層合板II型層間斷裂韌性試驗方法

  • HB 7718.1 碳纖維復(fù)合材料層合板濕熱環(huán)境下層間斷裂韌性試驗方法第1部分:I型層間斷裂韌性試驗方法

  • HB 7718.2 碳纖維復(fù)合材料層合板濕熱環(huán)境下層間斷裂韌性試驗方法第2部分:II型層間斷裂韌性試驗方法




(4) GJB相關(guān)標準






  • GJB 586 纖維增強塑料層板拉伸層間斷裂韌性試驗方法

  • GJB 2637 碳纖維樹脂基復(fù)合材料層合板疲勞試驗方法

  • GJB 2033 航空有機玻璃拉伸疲勞試驗方法





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