探秘金属的“慢性病”之低周疲劳测试如何守护重大工程安全

2021年，某型号客机在例行检修中发现起落架关键部件存在微小裂纹。经调查，该裂纹并非外力撞击导致，而是金属材料在无数次起降中因“反复弯折”逐渐累积损伤所致——这种现象正是低周疲劳的典型表现。

最后，工程师通过低周疲劳测试预测了部件的剩余寿命，避免了潜在灾难。

图1 金属裂纹

低周疲劳被工程师称为“金属的慢性病”。当材料（如飞机起落架、核反应堆压力容器）承受高应力、低频次的循环载荷时，即使每次变形看似微小，内部微观结构也会像被反复折叠的纸片一样逐渐产生裂纹，最终在毫无预警下断裂。

高周疲劳：低应力、高频次、应力低于屈服强度，变形以弹性为主；

低周疲劳：高应力、低频次、应力接近或超过屈服强度，伴随显著塑性变形，危害更隐蔽。

低周疲劳的致命特征：断裂前无明显征兆，传统检测手段难以发现，系统的关键部件可能在远低于预期寿命时突然失效，引发灾难。

图2 铝合金在低周疲劳失效后的断口

疲劳条带清晰可见，每一个条带代表一次循环

为了预判材料的“慢性病”何时爆发，科学家开发了低周疲劳测试（应变疲劳测试），其核心是通过实验室模拟，绘制材料的“寿命地图”—— E-N 曲线。

由于材料存在塑性应变后，在加载和卸载的循环中出现滞回现象，我们称这些曲线为应力-应变滞后回线 (Stress-strain hysteresis loop) ，滞后回线的面积表示了一次循环中耗散的能量。

在工业上，承受疲劳载荷和循环变形的机械部件的设计要求了解材料在反向应变控制条件下的循环行为；因此在实验室中，可以使用疲劳试验机对目标材料进行高精度恒应变循环，实时监测裂纹扩展，低周疲劳试验后可得到 E-N 曲线及相关参数（循环强度系数、循环应变硬化指数、疲劳强度系数、疲劳强度指数、疲劳延性系数、疲劳延性指数）。

以下为一组低碳钢材料在不同应变条件下的低周疲劳测试案例：

图5 低周疲劳试验样品、防屈曲装置及引伸计

图6 低周疲劳试验测试界面

图7 低碳钢在不同应变条件下的应力-应变滞后回线

通过低周疲劳试验，得到材料的性能及参数后，可进一步结合仿真技术标定处理为可供疲劳仿真软件（如 ANSYS nCode DesignLife、femfat、fe-safe 等）使用的材料疲劳卡片，针对不同零部件与系统赋予准确的材料疲劳卡片，可以更为精准地对零部件的疲劳性能进行预测。

图8 有限元分析材料疲劳性能

某些材料在反复循环过程中，会表现出两种现象：

这种变化直接关系到材料的疲劳寿命，科学家通过滞回曲线面积量化其“耐揍指数”。一般而言，无论是循环硬化还是循环软化，在经过一定的循环数以后，就稳定在某一不变的水平。

图9 循环应变控制下的应力应变滞回曲线：

(a) 循环硬化，(b) 循环软化