2021年，某型號客機在例行檢修中發現起落架關鍵部件存在微小裂紋。經調查，該裂紋并非外力撞擊導致，而是金屬材料在無數次起降中因“反復彎折”逐漸累積損傷所致——這種現象正是低周疲勞的典型表現。

最后，工程師通過低周疲勞測試預測了部件的剩余壽命，避免了潛在災難。

圖1 金屬裂紋

低周疲勞被工程師稱為“金屬的慢性病”。當材料（如飛機起落架、核反應堆壓力容器）承受高應力、低頻次的循環載荷時，即使每次變形看似微小，內部微觀結構也會像被反復折疊的紙片一樣逐漸產生裂紋，最終在毫無預警下斷裂。

高周疲勞：低應力、高頻次、應力低于屈服強度，變形以彈性為主；

低周疲勞：高應力、低頻次、應力接近或超過屈服強度，伴隨顯著塑性變形，危害更隱蔽。

低周疲勞的致命特征：斷裂前無明顯征兆，傳統檢測手段難以發現，系統的關鍵部件可能在遠低于預期壽命時突然失效，引發災難。

圖2 鋁合金在低周疲勞失效后的斷口

疲勞條帶清晰可見，每一個條帶代表一次循環

為了預判材料的“慢性病”何時爆發，科學家開發了低周疲勞測試（應變疲勞測試），其核心是通過實驗室模擬，繪制材料的“壽命地圖”—— E-N 曲線。

由于材料存在塑性應變后，在加載和卸載的循環中出現滯回現象，我們稱這些曲線為應力-應變滯后回線 (Stress-strain hysteresis loop) ，滯后回線的面積表示了一次循環中耗散的能量。

在工業上，承受疲勞載荷和循環變形的機械部件的設計要求了解材料在反向應變控制條件下的循環行為；因此在實驗室中，可以使用疲勞試驗機對目標材料進行高精度恒應變循環，實時監測裂紋擴展，低周疲勞試驗后可得到 E-N 曲線及相關參數（循環強度系數、循環應變硬化指數、疲勞強度系數、疲勞強度指數、疲勞延性系數、疲勞延性指數）。

以下為一組低碳鋼材料在不同應變條件下的低周疲勞測試案例：

圖5 低周疲勞試驗樣品、防屈曲裝置及引伸計

圖6 低周疲勞試驗測試界面

圖7 低碳鋼在不同應變條件下的應力-應變滯后回線

通過低周疲勞試驗，得到材料的性能及參數后，可進一步結合仿真技術標定處理為可供疲勞仿真軟件（如 ANSYS nCode DesignLife、femfat、fe-safe 等）使用的材料疲勞卡片，針對不同零部件與系統賦予準確的材料疲勞卡片，可以更為精準地對零部件的疲勞性能進行預測。

圖8 有限元分析材料疲勞性能

某些材料在反復循環過程中，會表現出兩種現象：

這種變化直接關系到材料的疲勞壽命，科學家通過滯回曲線面積量化其“耐揍指數”。一般而言，無論是循環硬化還是循環軟化，在經過一定的循環數以后，就穩定在某一不變的水平。

圖9 循環應變控制下的應力應變滯回曲線：

(a) 循環硬化，(b) 循環軟化