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)應力或循環(huán)應變作用下，經(jīng)過一定次數(shù)的應力循環(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)性和危險性。

金屬材料疲勞試驗是指在一定條件下，對金屬材料施加交變載荷或者循環(huán)載荷，以評價其在循環(huán)應力下的耐久性和抗疲勞性能。主要有應力疲勞和應變疲勞，應力疲勞通常對應高周疲勞，而應應變疲勞通常對應低周疲勞。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，關于低周疲勞和高周疲勞的界限不是物理上的，是領域內的習慣性或經(jīng)驗性定義。金屬材料的疲勞試驗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展速率，從而幫助預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如何設計取決于其實際服役工況需求。大多數(shù)金屬材料均要求服役時間較長，具有較長的疲勞壽命，因而以應力疲勞測試為主，在不同的應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。在高周疲勞范圍內有限疲勞壽命的情況下，以S-N曲線來評價金屬材料的疲勞壽命，測試主要采用成組法，即在每個應力幅測試一組（多個，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)材料的實際服役工況設計材料的疲勞樣品形狀和測試參數(shù)。不同的工況采用的應力加載的波形不同，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從兩個方面來看：一方面，應根據(jù)實際服役工況要求，越貼近實際服役工況，越能準確反應材料在實際服役工況下的疲勞行為；另一方面，對于大多數(shù)科學研究所使用的金屬材料，因為它未確定具體服役工況，僅是反應材料的物理特性，這種情況下可以選用加速實驗，因為疲勞測試頻率較低時，測試時間特別長，成本特別高。

本期內容主要介紹一下高頻疲勞試驗。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。它主要關注材料或構件在高頻振動或交變載荷下的疲勞性能。

高頻疲勞試驗機是進行高頻疲勞試驗的主要設備。據(jù)小編了解，目前高頻疲勞試驗機國內三個品牌，均在長春，它們是中機、仟邦和浩園，它的生產(chǎn)的設備各有各的特點和優(yōu)勢。

高頻疲勞試驗機能夠模擬高頻載荷環(huán)境，對材料或構件進行快速、高效的疲勞測試，因此能夠顯著節(jié)約疲勞測試的成本。由于試驗頻率高，可以在短時間內完成大量的疲勞試驗次數(shù)，提高試驗效率，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。這類試驗機能夠模擬高頻載荷環(huán)境，對材料或構件進行疲勞測試。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)負載頻率和超聲波負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。加載頻率的增加會導致疲勞壽命的延長。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)的位錯結構。發(fā)現(xiàn)，將加載頻率從0.2 Hz改變到140 Hz對S15C鋼的位錯結構沒有明顯影響，這說明在該頻率范圍內，材料的疲勞累積損傷的機制未發(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，累積損傷的機制是有變化的，這一點值得引起注意。

JIS S15C低碳鋼在不同加載頻率下的位錯組態(tài)

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

疲勞試驗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行測試。例如，一些工程結構或設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機或靜態(tài)試驗機更為合適。

一些材料在高頻振動下可能會產(chǎn)生嚴重的噪聲、振動或發(fā)熱問題，這些問題可能干擾測試結果的準確性或使測試無法進行。一些強度較高塑性略低的材料比較適合采用高頻疲勞試驗，如鈦合金、高強鋁合金，高強度鋼等。

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

此外，采用激光噴丸、機械噴丸等表面強化技術處理的金屬材料旨在開展表面強化提升疲勞性能研究的情況下，較適合采用高頻疲勞測試，因為它能極大的節(jié)約測試成本和研發(fā)周期。

高頻疲勞試驗廣泛應用于航空、航天、汽車、軌道交通等領域，這些領域的材料和構件經(jīng)常需要承受高頻振動或交變載荷。高頻疲勞試驗能夠評估材料和構件在高頻載荷作用下的疲勞性能，確保其在復雜工況下的安全性和可靠性。

聲   明：文章內容來源于金屬材料科學與技術。