2021年，某型號客機在例行檢修中發(fā)現(xiàn)起落架關(guān)鍵部件存在微小裂紋,。經(jīng)調(diào)查,，該裂紋并非外力撞擊導(dǎo)致，而是金屬材料在無數(shù)次起降中因“反復(fù)彎折”逐漸累積損傷所致——這種現(xiàn)象正是低周疲勞的典型表現(xiàn)。

最后,，工程師通過低周疲勞測試預(yù)測了部件的剩余壽命,，避免了潛在災(zāi)難。

圖1 金屬裂紋

低周疲勞被工程師稱為“金屬的慢性病”,。當(dāng)材料（如飛機起落架、核反應(yīng)堆壓力容器）承受高應(yīng)力,、低頻次的循環(huán)載荷時,，即使每次變形看似微小，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)也會像被反復(fù)折疊的紙片一樣逐漸產(chǎn)生裂紋,，最終在毫無預(yù)警下斷裂,。

高周疲勞：低應(yīng)力,、高頻次、應(yīng)力低于屈服強度,，變形以彈性為主,；

低周疲勞：高應(yīng)力、低頻次,、應(yīng)力接近或超過屈服強度,，伴隨顯著塑性變形，危害更隱蔽,。

低周疲勞的致命特征：斷裂前無明顯征兆,，傳統(tǒng)檢測手段難以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的關(guān)鍵部件可能在遠低于預(yù)期壽命時突然失效,，引發(fā)災(zāi)難,。

圖2 鋁合金在低周疲勞失效后的斷口

疲勞條帶清晰可見，每一個條帶代表一次循環(huán)

為了預(yù)判材料的“慢性病”何時爆發(fā),，科學(xué)家開發(fā)了低周疲勞測試（應(yīng)變疲勞測試），其核心是通過實驗室模擬,，繪制材料的“壽命地圖”—— E-N 曲線,。

由于材料存在塑性應(yīng)變后，在加載和卸載的循環(huán)中出現(xiàn)滯回現(xiàn)象,，我們稱這些曲線為應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線 (Stress-strain hysteresis loop) ,，滯后回線的面積表示了一次循環(huán)中耗散的能量,。

在工業(yè)上，承受疲勞載荷和循環(huán)變形的機械部件的設(shè)計要求了解材料在反向應(yīng)變控制條件下的循環(huán)行為,；因此在實驗室中,，可以使用疲勞試驗機對目標材料進行高精度恒應(yīng)變循環(huán)，實時監(jiān)測裂紋擴展,，低周疲勞試驗后可得到 E-N 曲線及相關(guān)參數(shù)（循環(huán)強度系數(shù),、循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)、疲勞強度系數(shù),、疲勞強度指數(shù),、疲勞延性系數(shù)、疲勞延性指數(shù)）,。

以下為一組低碳鋼材料在不同應(yīng)變條件下的低周疲勞測試案例：

圖5 低周疲勞試驗樣品,、防屈曲裝置及引伸計

圖6 低周疲勞試驗測試界面

圖7 低碳鋼在不同應(yīng)變條件下的應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線

通過低周疲勞試驗，得到材料的性能及參數(shù)后,，可進一步結(jié)合仿真技術(shù)標定處理為可供疲勞仿真軟件（如 ANSYS nCode DesignLife,、femfat、fe-safe 等）使用的材料疲勞卡片,，針對不同零部件與系統(tǒng)賦予準確的材料疲勞卡片,，可以更為精準地對零部件的疲勞性能進行預(yù)測。

圖8 有限元分析材料疲勞性能

某些材料在反復(fù)循環(huán)過程中,，會表現(xiàn)出兩種現(xiàn)象：

這種變化直接關(guān)系到材料的疲勞壽命,，科學(xué)家通過滯回曲線面積量化其“耐揍指數(shù)”,。一般而言，無論是循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化,，在經(jīng)過一定的循環(huán)數(shù)以后,，就穩(wěn)定在某一不變的水平。

圖9 循環(huán)應(yīng)變控制下的應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線：

(a) 循環(huán)硬化,，(b) 循環(huán)軟化