如何确定和测量钢材的耐久性极限？

钢的耐久性极限可以通过多种方式来衡量。抛光样品 – 其中潜在的表面起爆部位，如加工缺陷已被去除，在恒定振幅交变载荷下进行测试。材料疲劳极限可以通过测试小样品或全尺寸结构部件来测量。试样通常使用各种类型的疲劳试验机进行测试，具体取决于疲劳模式和所考虑的载荷类型。一旦样品被装入测试设备，它就会受到特定的交变应力并测试失败。施加在不同试样上的载荷减少，直到样品能够承受足够多的循环次数（即大约 107到 108对于传统钢），不会断裂。这种负荷或应力称为耐力极限（也称为“疲劳极限”。用于确定钢部件耐久性极限的一些最常见机器包括：

轴向（直接应力）试验机。在这里，试样在整个横截面上承受均匀的交变轴向应力（拉伸压缩）或应变。
弯曲疲劳机。这些是最常见的疲劳机类型。弯曲疲劳机可分为：
悬臂梁机。这些锥形悬臂试样具有一个固定端和一个自由端，在自由端承受循环载荷，导致样品顶部和底部表面交替拉伸和压缩。
旋转光束机。在这种情况下，对简单支撑的旋转试样施加两点载荷。当测试样品旋转时，作用在试样上的载荷会引起波动的弯曲应力。重复测试，逐渐减少载荷，直到达到试样可以抵抗大量循环应力的条件。
扭转疲劳试验机。扭转疲劳试验机对试样施加顺时针和逆时针交替的旋转应力。

什么是耐力极限？

疲劳极限，也称为耐久极限，是材料可以承受无限次重复载荷施加循环而不会失效的应力水平。换句话说，一旦材料受到低于耐久性极限的应力值，理论上它应该能够承受来自该特定载荷的无限次重复循环。疲劳极限不应与疲劳强度混淆，疲劳强度是材料在给定数量的加载循环下可以承受的最大应力。一些金属，如黑色金属和钛合金，有明显的限制。其他的，如铜和铝合金，即使在很小的振动应力振幅下也不会失效。对于设计工程师来说，建筑材料的疲劳或耐久性极限是避免长寿命结构应用或执行重复动作的组件疲劳失效的关键参数。不幸的是，疲劳仍然是许多工程应用中最常见的失效模式之一，通常是由于设计考虑不周。对于具有明显极限的合金，耐久性极限可以定义为合金可以承受的反向弯曲应力的最大值，在指定次数的循环内不会因疲劳而失效。对于传统钢，疲劳极限可以在大约107随着裂纹从表面开始的循环。这些合金的经验法则是疲劳极限发生在极限抗拉强度的一半左右。高强度钢则不是这种情况，在 10 之后不会显示出疲劳极限9周期。对于这些合金，裂纹始于内部 – 例如在夹杂物处。应该注意的是，材料的耐久性极限不是绝对或完全可重复的数字，而是受试件的测试方法和表面光洁度的影响。需要统计分析来计算给定材料的耐久性极限。另请注意，焊接接头可能具有与母材不同的疲劳极限，即使它们具有相似的成分。可能影响耐力极限的因素包括：

冷加工。
热处理。
环境暴露。
表面凹口。
压力提升器。

什么是疲劳？

疲劳定义为由于重复施加可能大大低于其屈服点的载荷而导致的材料中发生的损坏。疲劳断裂是循环应力、拉伸应力和塑性应变同时作用的结果。循环应力可以通过机械或热施加，并引发裂纹。另一方面，拉伸应力会扩展裂纹。大多数工程材料在微观结构水平上都存在缺陷。这些缺陷或表面凹口作为应力集中的区域，从而放大施加的应力并促进疲劳裂纹的萌生和扩展。

测试耐久性极限：标准和设备

疲劳仪器通常是通用的伺服液压或机电试验机。对于非常高的循环疲劳，可以使用超声波检测仪器。需要许多试样，测试时间可能很长。因此，设计工程师通常会查阅数据库。ASME锅炉和压力容器规范，如ASME第VIII节第2部分第5.5部分“循环载荷失效保护”，提供了稳健的疲劳曲线，以确保疲劳预测是保守的，并规定了处理焊缝的明确指南。与疲劳测试相关的ASTM标准包括：