2021年，某型號(hào)客機(jī)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(wú)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(guò)低周疲勞測(cè)試預(yù)測(cè)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(jī)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(shí)，即使每次變形看似微小，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)像被反復(fù)折疊的紙片一樣逐漸產(chǎn)生裂紋，最終在毫無(wú)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(qiáng)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(guò)屈服強(qiáng)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(wú)明顯征兆，傳統(tǒng)檢測(cè)手段難以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的關(guān)鍵部件可能在遠(yuǎn)低于預(yù)期壽命時(shí)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(jiàn)，每一個(gè)條帶代表一次循環(huán)

為了預(yù)判材料的“慢性病”何時(shí)爆發(fā)，科學(xué)家開(kāi)發(fā)了低周疲勞測(cè)試（應(yīng)變疲勞測(cè)試），其核心是通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(jī)械部件的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室中，可以使用疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)目標(biāo)材料進(jìn)行高精度恒應(yīng)變循環(huán)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展，低周疲勞試驗(yàn)后可得到 E-N 曲線及相關(guān)參數(shù)（循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)、循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)、疲勞強(qiáng)度系數(shù)、疲勞強(qiáng)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(cè)試案例：

圖5 低周疲勞試驗(yàn)樣品、防屈曲裝置及引伸計(jì)

圖6 低周疲勞試驗(yàn)測(cè)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(guò)低周疲勞試驗(yàn)，得到材料的性能及參數(shù)后，可進(jìn)一步結(jié)合仿真技術(shù)標(biāo)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(duì)不同零部件與系統(tǒng)賦予準(zhǔn)確的材料疲勞卡片，可以更為精準(zhǔn)地對(duì)零部件的疲勞性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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(guò)程中，會(huì)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(guò)滯回曲線面積量化其“耐揍指數(shù)”。一般而言，無(wú)論是循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化，在經(jīng)過(guò)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