疲劳试验 | 高周疲劳与低周疲劳的区别

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发布时间：

2026-03-11

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在机械工程领域，有一个令人警惕的事实：60%~70%的机械零件失效源于疲劳断裂，而这些断裂往往发生在远低于材料屈服

在机械工程领域，有一个令人警惕的事实：60%~70%的机械零件失效源于疲劳断裂，而这些断裂往往发生在远低于材料屈服强度的应力水平下。
疲劳是指材料在循环应力或应变作用下，性能逐渐下降并最终导致断裂失效的全过程。与静载断裂不同，疲劳断裂具有三个显著特征：
低应力脆断：断裂时的应力往往低于材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度。
无明显塑性变形：疲劳断裂是突发性的脆性断裂，断裂前难以察觉。
对缺陷敏感：表面划痕、内部夹杂、应力集中等都会显著降低疲劳寿命。
疲劳破坏的过程可以分为三个阶段：
裂纹萌生阶段：在应力集中部位（如表面缺陷、晶界、夹杂物）形成微观裂纹。
裂纹扩展阶段：裂纹在循环应力作用下稳定扩展。
瞬时断裂阶段：当裂纹扩展到临界尺寸，剩余截面无法承受载荷时突然断裂。
疲劳极限是指材料能够抵抗无限次应力循环而不破坏的最大应力值。
对于钢材等大多数黑色金属，其S-N曲线（应力-寿命曲线）存在一条水平渐近线。这条水平线起始点对应的应力值就是疲劳极限。需要注意的是，对于有色金属、腐蚀环境下的钢材等，S-N曲线往往没有明显的水平部分，此时需要定义条件疲劳极限，即对应于某一规定循环次数的应力值。
根据疲劳断裂前经历的应力循环次数，金属疲劳可分为两大类：
高周疲劳是指材料所受的交变应力远低于屈服强度，断裂前的应力循环次数大于10^5的疲劳。
核心特征：
应力水平：低于屈服强度，材料主要发生弹性变形。
控制参数：以应力作为基本控制参量。
寿命范围：Nf>10^5次。
典型应用：弹簧、传动轴、连杆、螺栓等。
研究手段：常规疲劳计算方法，以S-N曲线为依据。
高周疲劳的寿命主要消耗在裂纹萌生阶段。在实际服役的机械部件中，裂纹萌生寿命往往占据总寿命的90%以上。
低周疲劳
低周疲劳是指材料所受力较高，通常接近或超过屈服极限，断裂前的应力循环次数一般少于10^4~10^5的疲劳。
核心特征：
应力水平：接近或超过屈服强度，每次循环都发生塑性变形。
控制参数：以应变作为基本控制参量。
寿命范围：Nf<10^4~10^5次。
典型应用：压力容器、燃气轮机叶片、飞机起落架等。
破坏机理：塑性变形累积损伤。
低周疲劳的破坏就是塑性变形累积的结果。由于应力水平高，每次循环都会产生一定量的塑性变形，当累积塑性应变达到材料的极限时发生断裂。
疲劳断裂的断口具有典型的宏观形貌，是判断疲劳失效类型的重要依据。