在一些受監(jiān)管的消費行業(yè)中，無論是單一組件、材料還是主要組件和裝配體，對其進行合適的測試都是至關(guān)重要的。雖然汽車行業(yè)對于材料和部件的測試有著特殊要求，但疲勞原理在汽車領(lǐng)域內(nèi)甚至是整個工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)都是通用的。
材料的疲勞是指在循環(huán)加載下，發(fā)生在材料某點處局部的、永久性的損傷遞增過程。經(jīng)足夠的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)后，損傷累積可使材料產(chǎn)生裂紋，或使裂紋進一步擴展至完全斷裂，出現(xiàn)這些可見裂紋或者完全斷裂都叫疲勞破壞。
John Tartaglia博士解釋道：“通常情況下，我們將破壞循環(huán)次數(shù)在100至10000次之間的疲勞稱之為低周循環(huán)疲勞（LCF），這類循環(huán)作用于零件、構(gòu)件的應(yīng)力水平較高。對于破壞循環(huán)次數(shù)高于10000次的稱之為高周循環(huán)疲勞（HCF），作用于零件或構(gòu)件的應(yīng)力水平較低?？紤]到汽車上的許多組件可能需要經(jīng)歷上百萬次的循環(huán)，因此了解這些是非常有必要的。”
為了進一步了解疲勞試驗在現(xiàn)代汽車行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀，Quality雜志與Tartaglia博士、Alex Johnson工程師以及Steve Panter工程師進行了許多的交流討論，以下是其中討論的一部分。
QUALITY：在汽車行業(yè)里，哪些材料和部件通常需要進行疲勞試驗？
JOHN TARTAGLIA：在材料方面，汽車行業(yè)內(nèi)主要采用鋼材料作為主體結(jié)構(gòu)部分、鑄鋁用于缸體和缸蓋、鑄鐵用于曲軸等方面。鋁材料現(xiàn)在越來越多的被引用到汽車車身板件和結(jié)構(gòu)件中；鋼鐵材料則正逐漸以新的形式應(yīng)用，例如，利用液壓成形技術(shù)制造管形零件p減少材料的重量（與傳統(tǒng)的實心棒材和板狀結(jié)構(gòu)相比）。
我們可以將材料在汽車內(nèi)的使用分為車輛的結(jié)構(gòu)部件和動力系統(tǒng)兩方面。汽車的結(jié)構(gòu)部分包括用于門和踏板的中心柱、車身框架，保險杠，支架，發(fā)動機支架，座椅部件，座椅靠背和車輪等，所有這些部件都要從振動的角度出發(fā)對其進行疲勞測試。由于測試費用和復(fù)雜性的原因，車頭和車身并不經(jīng)常進行疲勞試驗，大多數(shù)情況都是從這些部位上切除一些樣品進行測試。但是，曲軸和整個發(fā)動機仍然需要在高溫以及高負載條件下進行相關(guān)實驗。
QUALITY：對不同的材料進行疲勞試驗是否會有所差異，例如復(fù)合材料和金屬材料？
JOHN TARTAGLIA：在汽車制造業(yè)，通常會用到聚合物基復(fù)合材料（PMC）和碳&維增強高分子復(fù)合材料（CFRP）；與金屬材料相比，這些材料的疲勞試驗確實有所差異。從測試裝置角度來看，這些復(fù)合材料的疲勞試驗需要的加工技術(shù)以避免其中纖維材料的拔出、靈敏的測力傳感器以測量低載荷應(yīng)力、固定夾緊裝置以防止樣品斷裂（對于金屬材料則是不必要&）。
此外，由于具有各向異性的特性，聚合物基復(fù)合材料的疲勞試驗還有另一個難處。這種各向異性使得材料的性質(zhì)會隨著測試方向的不同而發(fā)生改變，因此還需要采用一些技術(shù)去除掉這種各向異性?？傊趯@些材料進行疲勞試驗時需要考慮到載荷加載方向的影響。
是否存在某些程序和考慮因素使得汽車行業(yè)的疲勞測試與其他行業(yè)有所區(qū)分，例如航空航天領(lǐng)域？
STEVEPANTER: 測試差異主要包括加載應(yīng)力大小、加載軸要求、環(huán)境條件、測試方法和文檔要求等方面。此外，取決于系統(tǒng)應(yīng)用/要求，有時候還需要考慮到最終用戶的使用環(huán)境等因素。
ALEX JOHNSON: 為了防止一些災(zāi)難性的事故，汽車行業(yè)非常注重材料的碰撞性能和沖擊性能。其他一些行業(yè)則可能更加注重材料在正常條件下的使用壽命，而汽車行業(yè)重點關(guān)注的是產(chǎn)品的質(zhì)量安全問題。無論是消費者的私家車輛、商用車輛還是高性能的競賽型車輛，都需要具備能夠在受到撞擊時保護乘客的功能。
疲勞性能測試能夠使汽車制造商們更好的了解他們產(chǎn)品的生命周期，反過來這也有助于延長產(chǎn)品的保修期限，提高產(chǎn)品的市場競爭力?，F(xiàn)在，電動汽車的開發(fā)促使汽車制造商們研究電池和輕質(zhì)材料的使用以提高汽車的使用效率和減少碳排放量。但是新的部件和材料必須進行耐久性測試，以確保它們可以用于優(yōu)化性能，同時保持安全性。
疲勞試驗在過去20年有什么變化？
JOHNSON: 在一些安全至上的行業(yè)和應(yīng)用方面，了解材料的使用壽命是產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)過程中非常重要的一部分。隨著現(xiàn)在對更高燃料效率以及材料和結(jié)構(gòu)的輕量化的持續(xù)追求，正驅(qū)使著研究人員在不犧牲產(chǎn)品安全性能的前提下盡可能挖掘材料的使用潛力，甚至接近于材料性能極限?，F(xiàn)在材料領(lǐng)域的進步加上制造技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致疲勞測試顯得更為重要。在大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用中更廣泛地使用復(fù)合材料就是一個很好的例子。
當(dāng)你看到風(fēng)力渦輪機的葉片沿其長度使用數(shù)百種不同的復(fù)合材料時，你就會明白對于材料結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化以使其適用于特定環(huán)境是多么的重要。隨著現(xiàn)在金屬燒結(jié)技術(shù)和3D打印技術(shù)的使用日益廣泛，我們在金屬材料身上也看到了類似的趨勢，研究人員正對這些材料根據(jù)具體的應(yīng)用進行優(yōu)化。
未來材料技術(shù)、加工方法或者工具的發(fā)展是否會引起疲勞試驗發(fā)生變化？
TARTAGLIA: 雖然在過去的五十年里疲勞試驗的基本原理沒有發(fā)生改變，但樣品的測試無疑經(jīng)歷了重大的變化。測試控制方式和疲勞試驗數(shù)據(jù)的研究分析正逐步實現(xiàn)數(shù)字化，這是疲勞測試發(fā)展進程中發(fā)生的最大變化。
一個非常重要的發(fā)展正在行業(yè)中獲得人們的注意力——“即時”制造方法的日益普及，促使著制造商們考慮如何有效減少疲勞測試階段所需的時間。一般情況下，較長的測試周期需要特定的時間框架，如果加速疲勞測試頻率則會對樣品測試過程中的溫度產(chǎn)生影響，進而改變測試條件和測試結(jié)果。
在業(yè)內(nèi)，疲勞測試的最終目標(biāo)是將超高周疲勞測試引入到當(dāng)前的低周疲勞/高周疲勞測試中，這將有助于更加精準的預(yù)測汽車行業(yè)內(nèi)汽車產(chǎn)品的長期疲勞壽命。
另一個重大的變化在于我們正致力于材料疲勞測試的建模研究。模型預(yù)測將被引入到虛擬鑄造和測試流程中，這是行業(yè)內(nèi)的一個重大改變。這些虛擬過程將代替當(dāng)前所用的加工和測試方法，進而節(jié)省大量的經(jīng)濟成本，因為據(jù)我所知，材料的加工和測試需要一筆不小的花費。
材料及產(chǎn)品的使用壽命預(yù)測是一個很大的研究領(lǐng)域，這些測試研究使得制造商們能夠快速對其制造工藝和材料進行改變及優(yōu)化從而提高汽車產(chǎn)品的使用性能。
如今，一些新型的加工制造技術(shù)，例如3D打印技術(shù)，又將帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。在現(xiàn)階段，我們不能精確的預(yù)測一些材料在大范圍內(nèi)抗疲勞性能，但隨著我們收集到更多有關(guān)于制造技術(shù)和材料性能的信息，我們將看的更清楚。
JOHNSON: 各種各樣的復(fù)合材料的應(yīng)用將會是汽車行業(yè)未來發(fā)展的關(guān)鍵，這意味著一些參考標(biāo)準以及理論知識需要得到改進和完善。
今天，汽車制造商迫切需要減少汽車尾氣排放，這也是最終的商業(yè)驅(qū)動因素之一，雖然許多高新技術(shù)可以用于提高汽車傳動系效率以實現(xiàn)這一目標(biāo)，但是通過降低車身的總體質(zhì)量則是一種更簡單有效的辦法。正如前面所說，這可以通過在汽車上某些部位采用碳纖維增強復(fù)合材料以及其它一些類似的輕質(zhì)材料實現(xiàn)。
PANTER: 隨著高強度鋼和合金材料的進一步開發(fā)、3D打印技術(shù)的持續(xù)發(fā)展進步、新型復(fù)合材料以及組裝技術(shù)的發(fā)展（包括緊固件和粘結(jié)工藝的進步等），我們需要確保當(dāng)前以及未來的疲勞測試能夠跟上技術(shù)的需求。 計算機建模方面的進步能夠為組件和子系統(tǒng)的測試程序提供更精確的加載參數(shù)。非接觸、實時（虛擬）應(yīng)力應(yīng)變測量體系的發(fā)展同樣能夠幫助人們更好的了解載荷加載路徑，并且開發(fā)出新的疲勞測試程序。
