一、試驗原理

- 基本定義：對薄壁管或實心圓截面試樣，同步施加軸向力/應變與扭矩/扭轉角循環載荷，可實現同相（比例加載）或異相（非比例加載），獲取多軸疲勞壽命、循環硬化/軟化、裂紋萌生與擴展規律。

- 應力狀態：薄壁管試樣受拉扭復合時，管壁處于平面應力狀態（軸向正應力σ、切應力τ），主應力隨拉扭比例與相位變化，能有效模擬復雜服役工況。

- 控制模式：

- 應變控制（GB/T 40410-2021）：適合低周疲勞、塑性變形顯著場景，精確控制軸向與扭轉應變幅值及相位。

- 應力控制：適合高周疲勞、彈性變形為主場景，控制軸向力與扭矩幅值。

二、試驗設備

主流為電液伺服拉扭疲勞試驗機與電磁式動態力學試驗系統，核心構成：

1. 主機：軸向作動器（±50～±500kN）+ 扭轉作動器（±500～±5000Nm），雙立柱高剛性框架，消除側向干擾。

2. 控制系統：多通道閉環控制器，同步控制軸向與扭轉通道，支持正弦/三角/方波，可設定拉扭比例（σ/τ）、相位差（0°～180°）、頻率（0.1～100Hz）。

3. 測量系統：軸向力/扭矩傳感器、軸向引伸計、扭轉角傳感器、雙軸引伸計（測軸向與切向應變）。

4. 環境模塊：高低溫箱（-196℃～1000℃）、腐蝕箱，模擬服役環境。

三、試樣設計

- 標準試樣（GB/T 40410、ISO 13521）：

- 薄壁圓管：外徑10～25mm、壁厚0.5～2mm、標距25～50mm，應力分布均勻，適合應變控制。

- 實心圓棒：直徑6～15mm、標距30～60mm，加工簡單，適合高周疲勞與應力控制。

- 關鍵要求：夾持端與標距段光滑過渡，減少應力集中；表面拋光（Ra≤0.2μm），避免加工劃痕誘發早期裂紋。

四、試驗方法（GB/T 40410-2021）

1. 試樣安裝：同軸度≤0.02mm，確保拉扭加載同心，無附加彎矩。

2. 加載設定：

- 同相：軸向與扭轉應變同相位（0°），比例加載（如ε?/γ=1/√3）。

- 異相：相位差90°，橢圓應變路徑。

3. 數據采集：記錄循環次數、軸向力/扭矩、軸向/扭轉應變、裂紋萌生壽命（N?）、斷裂壽命（N?）。

4. 終止條件：試樣斷裂、載荷下降≥20%、或達到預設循環周次（如10?次）。

五、關鍵應用場景

- 航空航天：發動機軸、起落架、渦輪盤，受拉扭復合與高溫耦合作用。

- 軌道交通：車軸、轉向架、車輪（如CL60鋼），承受旋轉彎曲+扭轉復合疲勞。

- 能源裝備：核電管道、汽輪機轉子、風電主軸，復雜載荷+腐蝕/高溫環境。

- 汽車工業：傳動軸、曲軸、懸掛桿件，拉扭+振動復合疲勞。

六、多軸疲勞行為特征

1. 壽命縮短：非比例加載（相位差90°）因附加硬化，疲勞壽命比同相低30%～50%，比單軸低更多。

2. 裂紋形態：

- 同相：裂紋沿最大切應力面（45°）擴展，剪切型。

- 異相：裂紋呈多方向、網狀，主裂紋沿最大主應力面，混合型斷裂。

3. 斷口特征：裂紋擴展區（放射紋、解理/準解理）+ 瞬斷區（韌窩），隨載荷幅值減小由脆性向韌性過渡。

七、標準與數據處理

- 核心標準：

- GB/T 40410-2021：金屬材料 多軸疲勞試驗 軸向-扭轉應變控制方法。

- ISO 13521：Metallic materials—Fatigue testing—Axial-torsional loading method。

- ASTM E2207：Standard Test Method for Biaxial Fatigue Testing of Tubular Specimens。

- 數據處理：

- 繪制多軸S-N曲線（應力/應變幅值 vs 疲勞壽命）。

- 計算多軸疲勞損傷（如Von Mises等效應變、Brown-Miller準則）。

- 分析裂紋擴展速率（da/dN-ΔK），評估缺陷敏感性。

八、與單軸試驗對比

九、發展趨勢

- 高頻化：超聲拉扭疲勞（20kHz），快速獲取高周疲勞數據，縮短試驗周期。

- 原位觀測：結合SEM/TEM、DIC（數字圖像相關），實時觀察微觀裂紋萌生與擴展機制。

- 多場耦合：拉扭+高溫+腐蝕+振動，模擬服役環境，提升壽命預測準確性。

- 數值模擬：有限元+多軸疲勞損傷模型，虛擬試驗優化試樣與加載參數，減少實物試驗成本。