2021年，某型號客機在例行檢修中發(fā)現(xiàn)起落架關鍵部件存在微小裂紋。經調查，該裂紋并非外力撞擊導致，而是金屬材料在無數(shù)次起降中因“反復彎折”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測了部件的剩余壽命，避免了潛在災難。

圖1 金屬裂紋

低周疲勞被工程師稱為“金屬的慢性病”。當材料（如飛機起落架、核反應堆壓力容器）承受高應力、低頻次的循環(huán)載荷時，即使每次變形看似微小，內部微觀結構也會像被反復折疊的紙片一樣逐漸產生裂紋，最終在毫無預警下斷裂。

高周疲勞：低應力、高頻次、應力低于屈服強度，變形以彈性為主；

低周疲勞：高應力、低頻次、應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)的關鍵部件可能在遠低于預期壽命時突然失效，引發(fā)災難。

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)

為了預判材料的“慢性病”何時爆發(fā)，科學家開發(fā)了低周疲勞測試（應變疲勞測試），其核心是通過實驗室模擬，繪制材料的“壽命地圖”—— E-N 曲線。

由于材料存在塑性應變后，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力-應變滯后回線 (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計要求了解材料在反向應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 曲線及相關參數(shù)（循環(huán)強度系數(shù)、循環(huán)應變硬化指數(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 低碳鋼在不同應變條件下的應力-應變滯后回線

通過低周疲勞試驗，得到材料的性能及參數(shù)后，可進一步結合仿真技術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測。

圖8 有限元分析材料疲勞性能

某些材料在反復循環(huán)過程中，會表現(xiàn)出兩種現(xiàn)象：

這種變化直接關系到材料的疲勞壽命，科學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)應變控制下的應力應變滯回曲線：

(a) 循環(huán)硬化，(b) 循環(huán)軟化