在一些受監(jiān)管的消費(fèi)行業(yè)中，無(wú)論是單一組件、材料還是主要組件和裝配體，對(duì)其進(jìn)行合適的測(cè)試都是至關(guān)重要的。雖然汽車(chē)行業(yè)對(duì)于材料和部件的測(cè)試有著特殊要求，但疲勞原理在汽車(chē)領(lǐng)域內(nèi)甚至是整個(gè)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(diǎn)處局部的、永久性的損傷遞增過(guò)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(jìn)一步擴(kuò)展至完全斷裂，出現(xiàn)這些可見(jiàn)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(lèi)循環(huán)作用于零件、構(gòu)件的應(yīng)力水平較高。對(duì)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。考慮到汽車(chē)上的許多組件可能需要經(jīng)歷上百萬(wàn)次的循環(huán)，因此了解這些是非常有必要的。”

        為了進(jìn)一步了解疲勞試驗(yàn)在現(xiàn)代汽車(chē)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(jìn)行了許多的交流討論，以下是其中討論的一部分。

        QUALITY：在汽車(chē)行業(yè)里，哪些材料和部件通常需要進(jìn)行疲勞試驗(yàn)？

        JOHN TARTAGLIA：在材料方面，汽車(chē)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(lái)越多的被引用到汽車(chē)車(chē)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(shí)心棒材和板狀結(jié)構(gòu)相比）。

        我們可以將材料在汽車(chē)內(nèi)的使用分為車(chē)輛的結(jié)構(gòu)部件和動(dòng)力系統(tǒng)兩方面。汽車(chē)的結(jié)構(gòu)部分包括用于門(mén)和踏板的中心柱、車(chē)身框架，保險(xiǎn)杠，支架，發(fā)動(dòng)機(jī)支架，座椅部件，座椅靠背和車(chē)輪等，所有這些部件都要從振動(dòng)的角度出發(fā)對(duì)其進(jìn)行疲勞測(cè)試。由于測(cè)試費(fèi)用和復(fù)雜性的原因，車(chē)頭和車(chē)身并不經(jīng)常進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，大多數(shù)情況都是從這些部位上切除一些樣品進(jìn)行測(cè)試。但是，曲軸和整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)仍然需要在高溫以及高負(fù)載條件下進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

        QUALITY：對(duì)不同的材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)是否會(huì)有所差異，例如復(fù)合材料和金屬材料？

        JOHN TARTAGLIA：在汽車(chē)制造業(yè)，通常會(huì)用到聚合物基復(fù)合材料（PMC）和碳&維增強(qiáng)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(yàn)確實(shí)有所差異。從測(cè)試裝置角度來(lái)看，這些復(fù)合材料的疲勞試驗(yàn)需要的加工技術(shù)以避免其中纖維材料的拔出、靈敏的測(cè)力傳感器以測(cè)量低載荷應(yīng)力、固定夾緊裝置以防止樣品斷裂（對(duì)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(yàn)還有另一個(gè)難處。這種各向異性使得材料的性質(zhì)會(huì)隨著測(cè)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。總之，在對(duì)這些材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)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(chē)行業(yè)的疲勞測(cè)試與其他行業(yè)有所區(qū)分，例如航空航天領(lǐng)域？

        STEVEPANTER: 測(cè)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(cè)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(shí)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(chē)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(chē)行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的是產(chǎn)品的質(zhì)量安全問(wèn)題。無(wú)論是消費(fèi)者的私家車(chē)輛、商用車(chē)輛還是高性能的競(jìng)賽型車(chē)輛，都需要具備能夠在受到撞擊時(shí)保護(hù)乘客的功能。

        疲勞性能測(cè)試能夠使汽車(chē)制造商們更好的了解他們產(chǎn)品的生命周期，反過(guò)來(lái)這也有助于延長(zhǎng)產(chǎn)品的保修期限，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力?，F(xiàn)在，電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)促使汽車(chē)制造商們研究電池和輕質(zhì)材料的使用以提高汽車(chē)的使用效率和減少碳排放量。但是新的部件和材料必須進(jìn)行耐久性測(cè)試，以確保它們可以用于優(yōu)化性能，同時(shí)保持安全性。

        疲勞試驗(yàn)在過(guò)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(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中非常重要的一部分。隨著現(xiàn)在對(duì)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(jìn)步加上制造技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致疲勞測(cè)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(gè)很好的例子。

        當(dāng)你看到風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片沿其長(zhǎng)度使用數(shù)百種不同的復(fù)合材料時(shí)，你就會(huì)明白對(duì)于材料結(jié)構(gòu)進(jìn)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?cè)诮饘俨牧仙砩弦部吹搅祟?lèi)似的趨勢(shì)，研究人員正對(duì)這些材料根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。

        未來(lái)材料技術(shù)、加工方法或者工具的發(fā)展是否會(huì)引起疲勞試驗(yàn)發(fā)生變化？

        TARTAGLIA: 雖然在過(guò)去的五十年里疲勞試驗(yàn)的基本原理沒(méi)有發(fā)生改變，但樣品的測(cè)試無(wú)疑經(jīng)歷了重大的變化。測(cè)試控制方式和疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究分析正逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，這是疲勞測(cè)試發(fā)展進(jìn)程中發(fā)生的最大變化。

        一個(gè)非常重要的發(fā)展正在行業(yè)中獲得人們的注意力——“即時(shí)”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(cè)試階段所需的時(shí)間。一般情況下，較長(zhǎng)的測(cè)試周期需要特定的時(shí)間框架，如果加速疲勞測(cè)試頻率則會(huì)對(duì)樣品測(cè)試過(guò)程中的溫度產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變測(cè)試條件和測(cè)試結(jié)果。

        在業(yè)內(nèi)，疲勞測(cè)試的最終目標(biāo)是將超高周疲勞測(cè)試引入到當(dāng)前的低周疲勞/高周疲勞測(cè)試中，這將有助于更加精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)汽車(chē)行業(yè)內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)品的長(zhǎng)期疲勞壽命。

        另一個(gè)重大的變化在于我們正致力于材料疲勞測(cè)試的建模研究。模型預(yù)測(cè)將被引入到虛擬鑄造和測(cè)試流程中，這是行業(yè)內(nèi)的一個(gè)重大改變。這些虛擬過(guò)程將代替當(dāng)前所用的加工和測(cè)試方法，進(jìn)而節(jié)省大量的經(jīng)濟(jì)成本，因?yàn)閾?jù)我所知，材料的加工和測(cè)試需要一筆不小的花費(fèi)。

        材料及產(chǎn)品的使用壽命預(yù)測(cè)是一個(gè)很大的研究領(lǐng)域，這些測(cè)試研究使得制造商們能夠快速對(duì)其制造工藝和材料進(jìn)行改變及優(yōu)化從而提高汽車(chē)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(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在現(xiàn)階段，我們不能精確的預(yù)測(cè)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(huì)是汽車(chē)行業(yè)未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵，這意味著一些參考標(biāo)準(zhǔn)以及理論知識(shí)需要得到改進(jìn)和完善。

        今天，汽車(chē)制造商迫切需要減少汽車(chē)尾氣排放，這也是最終的商業(yè)驅(qū)動(dòng)因素之一，雖然許多高新技術(shù)可以用于提高汽車(chē)傳動(dòng)系效率以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但是通過(guò)降低車(chē)身的總體質(zhì)量則是一種更簡(jiǎn)單有效的辦法。正如前面所說(shuō)，這可以通過(guò)在汽車(chē)上某些部位采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以及其它一些類(lèi)似的輕質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)。

        PANTER: 隨著高強(qiáng)度鋼和合金材料的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、3D打印技術(shù)的持續(xù)發(fā)展進(jìn)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(jìn)步等），我們需要確保當(dāng)前以及未來(lái)的疲勞測(cè)試能夠跟上技術(shù)的需求。 計(jì)算機(jī)建模方面的進(jìn)步能夠?yàn)榻M件和子系統(tǒng)的測(cè)試程序提供更精確的加載參數(shù)。非接觸、實(shí)時(shí)（虛擬）應(yīng)力應(yīng)變測(cè)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(kāi)發(fā)出新的疲勞測(cè)試程序。