探秘金屬的“慢性病”之低周疲勞測試如何守護重大工程安全
引言
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,。

圖3 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:
循環(huán)硬化:在恒應(yīng)變循環(huán)下,,應(yīng)變循環(huán)的保持需要一個不斷增加的應(yīng)力幅,如圖 9 (a),,這種情況對于初始時較軟的材料較為常見,;
循環(huán)軟化:在恒應(yīng)變循環(huán)下,應(yīng)變循環(huán)能夠以一個下降的應(yīng)力幅得以保持,,如圖 9 (b),,它主要出現(xiàn)在經(jīng)熱處理或變形加工被硬化到較高水平的材料中。
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
全球 15% 的機械事故與疲勞失效相關(guān),,低周疲勞占其中高風(fēng)險場景的 70%。
精準壽命預(yù)測可延長設(shè)備使用周期,,減少過度維修(如風(fēng)電葉片維護成本降低40%),。
我國自主研發(fā)的C919客機、華龍一號核電機組等重大裝備,,均依賴低周疲勞測試通過國際安全認證,。
近年來,,Instron 與中國汽車工程研究院股份有限公司(以下簡稱“中國汽研”)在材料疲勞檢測領(lǐng)域展開了深入的合作,本案例為雙方在中國汽研進行的現(xiàn)場演示,。
中國汽研擁有國家機動車質(zhì)量檢驗檢測中心(重慶)等多個國家實驗室與多個國家·級別的平臺,,是我國推動汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步的汽車產(chǎn)品開發(fā)、試驗研究,、質(zhì)量檢測的公共科技創(chuàng)新平臺,。
Instron 疲勞試驗系統(tǒng)解決方案
在材料疲勞檢測領(lǐng)域,中國汽研長期致力于材料疲勞檢測技術(shù)及疲勞數(shù)據(jù)仿真應(yīng)用的研究,。
自雙方合作以來,,Instron 持續(xù)提供了多臺套電子和液壓動靜態(tài)疲勞試驗機解決方案,助力中國汽研不斷推動汽車材料,、結(jié)構(gòu)疲勞的技術(shù)創(chuàng)新,。
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