推荐一种新型加载形式的疲劳试验机
中国船舶重工集团公司第七二五研究所 试验测试与计量技术研究中心 张亚军
众所周知，最常见的疲劳试验机是轴向加载形式的。对于大多数金属材料，其疲劳性能，包括疲劳强度、疲劳寿命、疲劳极限、疲劳裂纹扩展速率、疲劳S-N曲线、疲劳e-N曲线等，在没有特殊要求时，一般都在轴向加载的疲劳试验机上完成。对于轴系金属及其合金，其疲劳性能的考核，通常采用旋转弯曲疲劳试验机完成。对于处于扭转应力反复疲劳作用下的金属及其合金，通常采用扭转疲劳试验机研究其疲劳性能。
然而，在工程实际中，桥梁结构、压力容器、海洋工程结构、飞机起落架结构等，在服役过程中，在反复弯曲的疲劳应力作用下发生失效的案例屡见不鲜。譬如，对于船舶而言，尤其是处于“舯垂”或“舯拱”状态时，受到的弯曲应力非常大，对船舶的安全服役构成了极大威胁。
常见轴向加载的疲劳试验机可以通过设计三点弯曲、四点弯曲夹具而使试样或构件产生弯曲应力，但当试样或构件的材料强度较高或体积较大时，对试验机的载荷容量要求也相应较高，相应的动力、能源损耗也大。常见的旋转弯曲或扭转弯曲疲劳试验机，也只适合于工程实际中受旋转弯曲疲劳应力或扭转疲劳应力作用的金属材料，如轴系材料、螺栓螺母材料等。
本文推荐的悬臂弯曲加载形式的疲劳试验机，其加载方式不仅可以产生一个弯曲应力，而且可以通过调长力臂长度，使得只须在试样施力端施加一个很小的力，就能够在试样的最大弯矩附近，产生一个可以达到甚至超过材料屈服强度的应力，对试验机的载荷容量要求不高，因此，这种试验机应用前景广阔。不过，由于试验机功能的特殊要求，在设计制造时，需要注意试样的施力端夹具、约束端夹具、力臂调节装置、试验机作动器抗偏心能力、机架刚性等系列问题，即施力端夹具的固定螺栓需具有比试样材质更高的疲劳强度、约束端夹具最好采用磨砂面、力臂调节装置需要确保试样力臂调节的连续性、试验机作动器应具有较高的抗偏心能力，以及试验机架应有足够的刚性等。
笔者曾经成功设计了两台悬臂弯曲加载形式的疲劳试验机，并以10CrNiMo钢为研究对象，设计了悬臂弯曲加载的试样，通过低周疲劳表面裂纹扩展速率试验，研究了空气中及3.5%NaCl盐水中的低周疲劳表面裂纹扩展速率特性、表面裂纹在不同控制模式下的扩展特性、表面裂纹扩展路径的曲折性、表面裂纹扩展速率试验中各参量的变化规律、残余应力对表面裂纹扩展速率的影响、表面裂纹扩展长度与施力点位移的相关性、悬臂弯曲加载10CrNiMo钢的S-N曲线试验研究、悬臂弯曲加载顺序对疲劳损伤参数的影响规律、悬臂弯曲加载金属材料疲劳损伤的测量方法研究等多个方面，为试验材料在弯曲疲劳应力作用下的工程实际应用提供了试验参考依据。
注：采用文中提到的悬臂弯曲加载形式的疲劳试验机，作者及其团队曾完成过国家“十五”、“十一五”、“十二五”等多项课题，内容涉及到悬臂弯曲加载模式下的系列问题研究，取得了丰硕的研究成果。另外，目前出版的相关书籍和论文中，涉及到悬臂弯曲加载方式下的材料疲劳性能内容，大部分出自中船重工七二五所，相关的测试标准也是中船重工七二五所试验测试与计量技术研究中心执笔起草的。欢迎各位同行一起来中船重工七二五所进行探讨、研究与合作。更多讯息，可访问我们网站
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作者简介： 张亚军，男，1972年8月出生， 2009年毕业于西安交通大学，工程硕士学位。高级工程师。中国力学学会MTS材料试验协作专业委员会委员，美国材料与试验协会ASTM会员。主要从事金属材料的疲劳、断裂、损伤、腐蚀等性能测试、分析及及结果的综合评价。 曾发表第一作者论文60余篇。2014年度合著出版国家出版基金资助丛书《海洋工程的材料失效与防护》一书。曾负责主持国家“十一五”先进材料技术项目“某钢的疲劳性能评价技术研究”一项、“十二五”技术基础预研项目“某钢临界损伤参数的表征与测试技术研究”一项，一级、二级国防报告10余篇，发明及实用新型专利6项，主持或参与起草各类标准及规范多项。
参考文献
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