疲劳强度研究新篇章：力学所推动疲劳强度测试与评价方法创新

　　疲劳是机械零部件的一种主要失效模式，发展高效、可靠的疲劳强度测试与评价方法至关重要。力学所非线性力学国家重点实验室微结构计算力学课题组孙成奇研究员等基于概率统计理论，创新性地提出了一种新型的疲劳强度测试与评价方法。该成果以“A continuous testing method for fatigue strength evaluation in high cycle and very high cycle regimes”为题发表在疲劳领域权威期刊Int. J. Fatigue。
 

　　现有通用的疲劳强度测试方法——GB/T 24176-2009的升降法(up-and-down method, UDM)中，后一个试样的测试应力需要依据前一个试样的测试结果来确定，这一过程往往导致测试周期的显著延长，耗费大量时间。在超高周疲劳(≥107周次的疲劳)强度评价中，这一不足尤为突出。比如100 Hz下测试109周次需要116天，如果有效测试样品16件，其中不少于6件测试109周次，则至少需要1.9年。同时，现有疲劳强度测试方法在一些情况下无法根据测试结果评价疲劳强度，大大增加测试成本。
 

　　多种材料的实验结果表明，新的疲劳强度测试与评价方法(continuous testing method, CTM)(图1)评估的高周和超高周疲劳强度下极限优于UDM。如图2给出的两种方法测试与评价中，UDM无法对40Cr钢的测试结果进行评价，而对2024-T351和6005A-T6铝合金的评价结果明显偏于危险，评估的95%置信度、99%存活率下疲劳强度下极限高于测试的样品中发生失效的最小应力水平。数值实验结果也表明，CTM评价的疲劳强度更为合理、可靠。CTM还可以同时测试多个样品，大大缩短测试时间，比如16个有效样品的测试周期与UDM相比可以缩短2/3以上。
 

　　CTM为材料和零部件的疲劳强度测试与评价提供了新思路，并获CSTM 标准立项(编号：CSTMLX 0100 01278—2023)，将在材料和零部件的疲劳强度评价中发挥重要作用。
 

图1 CTM方法示意图
 

　　图2 CTM方法和UDM方法评估的疲劳强度对比，虚线表示测试的样品中发生失效的最小应力水平
 

　　力学所博士研究生仵涵为第一作者，孙成奇研究员为通讯作者。相关研究得到中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项“深海结构长期服役安全与可靠性”(编号XDB0620303)与国家自然科学基金基础科学中心“非线性力学的多尺度力学研究”项目(11988102)的支持。