锻件在复合载荷作用下的疲劳寿命测试方案设计

锻件是航空航天、汽车、工程机械等领域的核心承力部件，实际服役中常承受拉压、扭转、弯曲等复合载荷作用。传统单轴疲劳测试因无法模拟复杂应力状态，难以准确反映真实疲劳寿命。因此，设计针对性的复合载荷疲劳寿命测试方案，对还原实际工况、保证锻件可靠性至关重要，是实现产品从“合格”到“可靠”的关键环节。

复合载荷的类型与工况还原

复合载荷的类型需结合实际工况确定，常见形式包括拉-扭、弯-扭、拉-弯-扭等。例如，汽车传动轴承受弯-扭复合载荷，航空发动机叶片榫头承受拉-扭复合载荷，工程机械液压缸活塞杆则可能承受三向复合载荷。还原工况的核心是解析实际载荷谱——通过在现场锻件关键部位粘贴应变片、安装力传感器，采集服役过程中的载荷数据，再用DHDAS、LabVIEW等软件滤波、雨流计数，提取载荷的大小、比例、相位差及循环特征。同时需参考GB/T 15111-2017《金属材料 多轴疲劳试验方法》、ISO 12107-2012《金属材料 疲劳试验 多轴加载》等标准，确保工况还原的规范性。

测试系统的硬件组成

测试系统需满足多轴同步加载需求，核心硬件包括电液伺服加载单元、专用夹具及高精度传感器。电液伺服系统通过闭环控制，可实现轴向力、扭矩、弯矩的同步施加，精准调控载荷比例与相位——如拉-扭复合中需控制轴向力与扭矩的比值为1:40，相位差为30°。夹具设计需匹配载荷类型：拉扭复合夹具采用“花键+螺纹”结构，材质为40CrNiMoA高强度钢（调质后HRC35-40），避免自身变形；弯扭复合夹具设计成“悬臂梁+扭转台”，实现弯曲与扭转的独立传递。传感器方面，力传感器选用精度0.1%FS的应变式传感器，扭矩传感器选用非接触式磁电传感器（避免导线缠绕），应变传感器选用微型箔式应变片（响应频率≥10kHz），确保数据准确。

试样设计的关键要点

试样需模拟实际锻件的应力状态，优先采用缺口试样——因锻件失效多源于应力集中部位（如圆角、键槽），缺口试样可还原应力集中系数（Kt）。例如，某齿轮轴键槽处Kt=2.5，试样需设计成相同Kt的V型缺口（深度2mm、角度60°）。试样尺寸需匹配加载量程：轴向力Fmax=10kN时，试样截面积A≥Fmax/σs（42CrMo钢σs=800MPa，则A≥12.5mm²）；扭矩Tmax=500N·m时，抗扭截面模量Wt≥Tmax/τs（τs=450MPa，则Wt≥1111mm³）。此外，试样需与实际锻件采用相同材料及热处理工艺——若锻件为“淬火+低温回火”，试样也需一致，避免力学性能差异。

加载策略的制定

加载策略需兼顾组合方式与循环特征。比例加载（同相位）适用于载荷比例稳定的工况（如匀速传动轴），非比例加载（相位差变化）更接近变工况场景（如汽车起步）。例如，某传动轴的弯曲与扭转相位差随转速从0°变到90°，测试中需通过伺服系统的“相位控制模块”动态调整。加载频率控制在0.5-5Hz——频率过高会导致试样发热（10Hz时表面温度升高20℃），过低则延长周期。循环特征需与实际一致：对称循环（R=-1，如往复扭转）、脉动循环（R=0，如单向拉伸）或变幅循环（如随机载荷），变幅循环需按现场载荷谱“程序控制”加载。

数据采集与分析方法

数据采集需同步——通过DAQ系统将力、扭矩、应变、位移同步采集，采样频率≥5倍载荷频率（如载荷5Hz，采样≥25kHz），避免滞后。分析用雨流计数法，统计各载荷水平的循环次数——如某试样得到1000次“+5kN、+200N·m”循环，500次“-3kN、-150N·m”循环。疲劳寿命计算选用多轴模型：拉扭复合用SWT模型（比例加载）或Bannantine模型（非比例加载）；弯扭复合用Findley模型（考虑剪切与正应力组合）。例如，42CrMo钢拉扭试样的SWT参数为σmax√σa=常数，拟合测试数据可预测寿命。

测试过程的质量控制

测试前校准系统：用标准砝码校准力传感器（5kN时误差≤0.05kN），用标准扭矩仪校准扭矩传感器（200N·m时误差≤0.2N·m）；夹具安装后用激光对中仪检查同轴度（偏差≤0.02mm），避免偏心加载。测试中实时监控数据——若载荷曲线突变（如轴向力下降10%），立即停止，排查试样裂纹、夹具松动等问题。测试后检查试样：用超声探伤仪检测内部缺陷（裂纹深度≥0.5mm判定失效），用光学显微镜观察断口形貌（验证失效模式与实际一致）。