金属低周疲劳试验,疲劳试验和耐久试验

金属低周疲劳（LCF）试验完整详解

基础定义与核心原理

1. 概念低周疲劳（Low CycleFatigue，LCF，应变疲劳）：金属循环载荷下局部进入塑性区，单次循环产生不可逆塑性变形，在10²～10⁵次循环内发生断裂；工程上常以10⁴次作为高低周分界。

高周疲劳（HCF）：应力低于屈服、弹性变形主导，寿命＞10⁵次，采用应力控制；

低周疲劳：塑性应变主导，必须采用应变控制试验。

高低周疲劳S-N分区图

2. 核心理论：Manson-Coffin（科芬 -曼森）公式

描述塑性应变幅与疲劳寿命的定量关系，是低周疲劳核心判据：

ε a,p =ε f′ (2N f ) c ε a,p ：塑性应变幅；ε f′ ：疲劳延性系数（材料固有参数）；

2N f：反向总循环数（断裂前总半循环次数）；

c

：疲劳延性指数（负值，金属一般 -0.5~-0.8）。

总应变幅拆分：

ε a,t=ε a,e+ε a,p（弹性应变幅 + 塑性应变幅）。

3. 滞回曲线（滞后环）

应变加载 -卸载不重合，形成封闭滞回环：

环面积 =单次循环塑性耗散能，代表单次损伤；

随循环累积，滞回环逐步变化（循环硬化 /软化）；

每环提取峰值应力、弹性 /塑性应变，用于拟合寿命曲线。

应力-应变滞回环示意图

适用场景与工程用途

针对启停交变、热循环、应力集中易产生塑性变形的零部件：

航空：涡轮盘 /叶片、起落架、发动机高温合金；

能源：核电压力容器、蒸汽管道、燃气轮机；

汽车：排气歧管、曲轴、涡轮增压器；

土木 /重工：地震载荷钢结构、压力容器、重型锻件。

试验目的：测定材料应变寿命曲线、循环硬化 /软化特性、高温低周疲劳寿命、热机械疲劳性能。

主流执行标准

国内标准

GB/T15248-2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》（对标 ASTM E606，国内Zui常用）；

GB/T 26077-2010《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》（等同 ISO 12106）；

GB/T 28900疲劳通用技术要求。

guojibiaozhun

ASTME606/E606M：全球通用应变控制低周疲劳标准，条款Zui详细；

ISO12106:2017：轴向应变控制疲劳通用规范；

ASTME2368：高温应变控制低周疲劳专用标准。

试验设备组成

电液伺服LCF试验机

完整低周疲劳测试系统

电液伺服疲劳试验机

载荷：5～500kN；高刚度机身，同轴度误差≤5%弯曲应变；

核心：闭环应变控制系统，响应速度快，抵消塑性变形带来的应力松弛。

轴向引伸计（关键部件）

标距 12.5/25mm，量程≥±5% 应变；精度±0.5% FS，分辨率≤1μm；

弹性夹持，不划伤试样标距段，全程实时采集应变信号。

配套装置

高温炉 / 环境箱：室温～1000℃高温LCF；

数据采集：≥100 采样点 /每循环，同步记录载荷、应变、循环数；

水冷、同轴对中工装、高温夹持组件。

试样要求（标准光滑试样）

1. 两种主流形制

圆柱圆棒试样（Zui常用）：标距直径5~10mm，标距长 12.5/25mm；过渡圆角≥2 倍直径，降低应力集中；

板状扁平试样：薄板、焊接件专用，标距宽度6~10mm。

2. 制备规范

机加工严控尺寸公差，纵向抛光，表面粗糙度Ra≤0.2μm，去除刀痕、微裂纹；

无划伤、磕碰、氧化层；jingque测量标距直径 /宽度至 0.01mm；

禁止标距段打标记，避免表面损伤提前萌生裂纹。

完整试验操作流程

1. 装夹与对中

试样装夹，严格同轴对中，消除附加弯曲应力；

引伸计弹性夹持在标距段，确认无滑动、无挤压；

高温试验：升温至目标温度，保温 30~60min保证温度均匀。

2. 参数设定（常规试验）

应变波形：标准采用三角波（恒定应变速率，无速率效应）；保载工况用梯形波；正弦波仅通用对比；

应变比 Rε：默认对称循环Rε=-1（拉压相等）；模拟平均应变工况可设 0、0.1、0.5；

频率：0.01～5Hz，低应变幅可提高，高塑性大应变幅取0.1~1Hz（防止试样发热升温）；

应变幅梯度：多档总应变幅（如0.3%、0.5%、0.8%、1.0%），每组 3 根平行试样。

3.失效终止判据（满足其一即停机）

试样完全断裂（Zui直观判据）；

循环峰值拉伸应力较稳定滞回环下降20%~50%（行业通用25%）；

达到预设循环上限（如10⁵次）未断裂，记为耐久极限。

4. 数据记录

每 100~200循环保存完整滞回环；

每循环记录Zui大 /Zui小应力、总应变、塑性应变、循环次数；

记录断裂位置、断口形貌、试验温度、频率、波形。

数据处理与输出结果

分离每组滞回环的弹性应变幅 εₐₑ、塑性应变幅εₐₚ；

拟合 Manson-Coffin曲线：lgε a,p∼lg(2N f )，得到；

绘制应变 -寿命（ε-N）曲线（双对数坐标）；

评估循环特性：

循环硬化：峰值应力随循环上升；

循环软化：峰值应力随循环下降；

循环稳定：滞回环基本不变；

高温试验输出不同温度下全套 LCF参数，用于热疲劳寿命校核。

低周疲劳 vs高周疲劳核心对比

表格

对比项 低周疲劳 LCF 高周疲劳HCF

控制模式 应变控制 应力控制

变形特征 塑性应变主导纯弹性变形

寿命区间 10²～10⁵次＞10⁵～10⁸次

核心模型 Manson-Coffin 应变寿命Basquin 应力寿命 S-N

加载频率 0.01~5Hz（低速防升温）5~100Hz 高速

失效断口 韧窝为主，塑性断裂特征疲劳条纹为主，脆性疲劳特征

适用部件 高温、启停、应力集中件持续小幅交变载荷件

常见影响因素

应变幅：塑性应变幅越大，寿命指数级下降；

温度：高温降低屈服强度，塑性变形加剧，大幅缩短LCF 寿命；

表面状态：划痕、锈蚀、加工刀痕会成为裂纹源，寿命显著分散；

应变比（平均应变）：拉平均应变缩短寿命，压平均应变小幅延寿；

加载频率：高频产生温升，加速损伤；对应变速率敏感材料需固定应变速率。

十、试验报告必备内容

标准编号、材料牌号、热处理状态、试样尺寸 /表面粗糙度；试验温度、波形、频率、应变比；每根试样总应变幅、断裂循环数 Nf；Manson-Coffin 拟合参数、ε-N曲线；循环硬化 / 软化曲线、典型滞回环图、断口描述。

疲劳试验 vs耐久试验：定义、区别、适用场景、标准对比

核心定义

1. 疲劳试验

核心：循环交变载荷，研究材料 /构件疲劳裂纹、断裂寿命

在周期性交变应力、应变下反复加载，模拟部件长期承受往复受力（震动、弯曲、扭转、拉压交替），观测：

疲劳裂纹萌生、扩展

疲劳破坏循环次数（S-N曲线）

疲劳极限、应力幅值影响

属于材料力学、损伤失效类试验，侧重应力 -寿命关系。

典型加载：往复拉压、弯曲疲劳、扭转疲劳、振动疲劳、高低周疲劳（HCF/LCF）。

2. 耐久试验（耐久性试验）

核心：模拟整机 /成品全工况长期使用，考核综合使用寿命

完整复刻产品实际工作环境 + 载荷 + 温度 /湿度 / 腐蚀，长时间持续运行，验证整机长期可靠，不只看力学裂纹，还包含：

磨损、老化、密封泄漏、电气衰减、紧固件松动、橡胶老化、异响、性能衰减。

属于整机可靠性验证，侧重全工况使用寿命。

关键区别对照表

表格

对比维度 疲劳试验 耐久试验

试验对象材料试样、单一零部件（弹簧、轴、焊缝、PCB、金属件） 整机、总成、完整产品（电机、整车、家电、电池模组）

载荷特点纯交变循环应力，载荷单一可控，精准控制应力幅值 复合工况：交变载荷 + 静载 + 温度 / 湿度 / 粉尘 / 腐蚀 /启停冲击，多环境耦合

试验目的获取材料疲劳性能，定位疲劳断裂失效，计算安全系数 验证整机全生命周期可靠性，暴露磨损、老化、松动、渗漏等综合失效

判定终点 出现裂纹、断裂、刚度下降、达到指定循环次数性能不达标、异响、漏油、电路故障、功能失效、老化变形

试验时长高低周疲劳：几万～千万次循环，可加速应力放大缩短时间 按等效使用寿命折算，常持续数百 /上千小时，工况温和接近真实使用

输出数据 S-N疲劳曲线、疲劳极限、裂纹扩展速率、断裂形貌 整机失效模式、平均无故障时间 MTBF、易损件寿命、老化衰减曲线

适用行业机械结构、金属材料、焊接件、弹簧、轴承、航空叶片 汽车整车 / 底盘、家电、电机、锂电池、医疗器械、电子整机

相互关系：包含与互补

疲劳是耐久的子集

耐久试验里一定会包含交变受力带来的疲劳损伤，但耐久还有老化、腐蚀、磨损等其他失效形式；单纯疲劳试验只考核交变应力断裂，不考虑环境老化。

研发流程搭配使用

前期零部件阶段：做疲劳试验，校核结构强度、优化壁厚/ 焊缝，避免早期疲劳断裂；

后期整机定型：做耐久试验，验证装配、密封、塑胶、电子元件长期协同工作可靠性。

常见细分类型举例

疲劳试验细分

轴向拉压疲劳：螺栓、连杆、板材

弯曲疲劳：轴类、车架、弹簧

扭转疲劳：传动轴、曲轴

振动疲劳：PCB、车载电子、壳体

高低周疲劳：航空发动机、压力容器

耐久试验细分

整车底盘耐久：道路模拟机，模拟颠簸、制动交变载荷 +高低温

电机耐久：连续启停、变负载长时间运行，考核轴承磨损、绝缘老化

电池包耐久：充放电循环 + 温湿度交变（电化学疲劳+ 密封老化）

家电耐久：开关反复启闭、电机长期运转、塑胶老化

液压部件耐久：持续油压交变 +油液腐蚀，检测渗漏、阀芯磨损

简单一句话区分

疲劳试验：使劲反复掰零件，看多久会裂、断；

耐久试验：完整产品全天候长期干活，看用久了会不会坏、漏、失灵、老化。

补充：加速逻辑差异

疲劳加速：提高应力幅值，大幅缩短循环次数，属于应力加速；

耐久加速：多手段叠加（温度加速老化、载荷放大、启停频率提升），同时兼顾多种失效机理，不能单纯放大应力，避免失效模式失真。