金属材料疲劳试验是评估金属在交变载荷（循环载荷）作用下抵抗破坏能力的关键检测手段，广泛应用于机械制造、航空航天、汽车、建筑等领域（如发动机曲轴、桥梁钢结构、飞机起落架等关键部件）。其核心目的是确定材料的疲劳性能指标，为结构设计、寿命预测及失效分析提供依据。

一、核心概念：疲劳失效与疲劳性能指标

在理解试验前，需先明确两个关键基础：

疲劳失效特点：金属在远低于其静强度（如抗拉强度）的交变载荷下，经过一定循环次数后突然断裂，且断裂前通常无明显塑性变形，属于 “低应力高循环” 型隐患失效。

核心性能指标：试验的核心是获取以下指标，用于量化材料的抗疲劳能力：

疲劳极限（σ₋₁）：当交变载荷为 “对称循环”（应力比 R=-1，即拉压交替）时，材料能承受无限次循环（通常定义为 10⁷次）而不发生断裂的最大应力值，也称为 “持久极限”。

疲劳寿命（N）：在某一恒定交变应力水平下，材料从开始受力到发生疲劳断裂所经历的循环次数。

S-N 曲线（应力 - 寿命曲线）：以交变应力幅值（或最大应力）为纵轴（S）、疲劳寿命为横轴（N，通常取对数）绘制的曲线，是疲劳设计的核心依据（可直接查得某应力下的寿命，或某寿命对应的许用应力）。

疲劳强度：当材料无法达到 “无限寿命”（如某些非铁金属）时，规定某一循环次数（如 10⁵次、10⁶次）对应的最大应力值，称为 “某循环次数下的疲劳强度”。

二、金属材料疲劳试验的主要类型

根据载荷形式、应力循环特性的不同，疲劳试验可分为以下几类，需根据实际应用场景选择：

试验类型

载荷形式

适用场景

关键参数

弯曲疲劳试验 三点 / 四点弯曲、旋转弯曲 轴类、杆件（如曲轴、传动轴），承受弯曲交变载荷的部件 弯曲应力幅值、旋转速度（通常 3000-10000r/min）、循环次数

拉压疲劳试验 轴向交变拉压载荷 压力容器、螺栓、建筑钢结构，承受轴向循环载荷的部件 应力比 R（通常 - 1~0.5）、轴向应力幅值、加载频率（1-100Hz）

扭转疲劳试验 交变扭矩 传动轴、联轴器，承受扭转循环载荷的部件 扭转应力幅值、应力比 R（扭转载荷中 R=τ_min/τ_max）、加载频率

复合疲劳试验 弯曲 + 扭转、拉压 + 弯曲等 复杂受力部件（如飞机起落架、发动机叶片），同时承受多种交变载荷 多载荷的应力比、相位差、幅值配比

接触疲劳试验 滚动 / 滑动接触交变载荷 轴承、齿轮、钢轨，表面承受接触应力循环的部件（失效形式为点蚀、剥落） 接触应力幅值、滑动速度、循环次数

三、疲劳试验的核心流程（以 “轴向拉压疲劳试验” 为例）

疲劳试验需严格遵循标准规范（如 GB/T 3075、ISO 13003、ASTM E466），流程可分为 5 个关键步骤：

1. 试样制备：保证试验准确性的基础

试样要求：需与材料实际使用状态一致（如热处理状态、表面粗糙度），且符合标准规定的尺寸（通常为 “哑铃型” 或 “板状”，避免应力集中）。

表面处理：试样表面需打磨光滑（粗糙度 Ra≤0.8μm），避免划痕、裂纹等缺陷（微小缺陷会显著降低疲劳寿命，导致试验结果偏差）。

试样数量：每组应力水平至少需 3-5 个试样，以排除偶然误差，确保数据重复性。

2. 试验设备准备：关键设备与校准

核心设备：疲劳试验机（按载荷类型分为电液伺服疲劳试验机、电磁共振疲劳试验机，前者精度高，适用于多种载荷；后者效率高，适用于高循环疲劳）。

辅助设备：引伸计（测量试样变形）、应力传感器（监控载荷精度）、数据采集系统（记录循环次数与应力 - 应变曲线）。

设备校准：试验前需校准载荷精度（误差≤±1%）、位移精度（误差≤±0.5%），确保设备处于正常工作状态。

3. 试验参数设定：根据需求定义试验条件

应力循环参数：

应力比 R：定义载荷循环特性，如 R=-1（对称拉压）、R=0（脉动拉伸）、R=0.5（拉伸为主的循环）；

应力幅值（σₐ）：交变应力的波动范围（σₐ=(σ_max-σ_min)/2）；

加载频率：通常为 10-50Hz（频率过高会导致试样发热，影响结果；过低则试验效率低）。

试验终止条件：

若试样断裂：记录断裂时的循环次数（即疲劳寿命 N）；

若达到 “目标循环次数”（如 10⁷次）仍未断裂：判定为 “未失效”，该应力水平即为疲劳极限的候选值。

4. 试验执行与数据记录

启动试验机后，实时监控载荷 - 循环次数曲线，确保载荷稳定（无明显波动）；

若试样在试验中断裂，需记录断裂位置（正常应在试样 “平行段”，若在夹持段断裂则数据无效）、断口形貌（后续可通过电镜分析失效原因）；

按 “从高应力到低应力” 的顺序测试：先测试高应力水平（寿命短，快速筛选），逐步降低应力，直至找到 “无限寿命” 对应的应力（疲劳极限）。

5. 数据处理与结果分析

绘制 S-N 曲线：将每组应力水平的平均寿命（剔除异常值）标注在对数坐标上，拟合得到 S-N 曲线；

确定疲劳极限：若 S-N 曲线存在 “水平段”（即应力降低到某值后，寿命不再增加），水平段对应的应力即为疲劳极限；若无水平段（如铝合金），则取 10⁷次循环对应的应力作为 “条件疲劳极限”；

断口分析：通过扫描电子显微镜（SEM）观察断口，判断疲劳源位置（通常在表面缺陷处）、疲劳扩展区（有明显的 “贝壳纹”）和瞬断区（粗糙，为最终断裂区域），辅助分析失效原因。

四、常用试验标准（国内外核心规范）

不同国家 / 行业的标准略有差异，但核心技术要求一致，实际试验需优先遵循产品对应的行业标准：

标准类别

国内标准（GB/T）

国际标准（ISO）

美国标准（ASTM）

适用场景

通用疲劳 GB/T 3075-2008 ISO 13003:2003 ASTM E466/E466M-15 金属材料轴向拉压疲劳

弯曲疲劳 GB/T 4337-2015 ISO 11433:2012 ASTM E900/E900M-18 金属材料旋转弯曲疲劳

扭转疲劳 GB/T 12443-2017 ISO 13004:2003 ASTM E1049/E1049M-15 金属材料扭转疲劳

接触疲劳 GB/T 14265-2017 ISO 20390:2003 ASTM D3518/D3518M-17 金属材料滚动接触疲劳

焊接接头 GB/T 15111-2017 ISO 10497:2005 ASTM E186/E186M-15 焊接接头的疲劳试验