应变控制低周疲劳试验一般以圆棒试样为主，在应变比(最小应变与最大应变的比值)R＜-1的情况下基本不采用板材试样。在部分汽车结构件中，金属薄板承受了双向拉压载荷，目前各汽车生产厂家及科研院所对薄板拉压双向应变控制低周疲劳试验的需求日益增多。

车用板材根据板材的厚度和宽度比可分为厚板、中厚板和薄板。当板宽(b)与板厚(t)满足1/80~1/100＜t/b＜1/5~1/8的条件时称为薄板。薄板作为汽车的重要冲压件用材，一般采用冷轧等制造工艺，除常规力学性能外，材料的疲劳性能是其重要验收指标。

根据GB/T 15248-2008«金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法»中对试样的设计要求，试样平行段长度是试样厚度的2.5~3.5倍。由于汽车冷轧薄板厚度约为1mm，按照上述标准疲劳试样的平行段长度应为2.5~3.5mm，而引伸计标距一般为8，10，20，25mm，试样平行段长度无法满足引伸计的装夹，因此在进行汽车冷轧薄板的低周疲劳试验时，试样平行段需比引伸计标距长。

在薄板的疲劳试验中，一般根据GB/T 26077-2010«金属材料疲劳试验轴向应变控制方法»标准制备疲劳试样，试样的形状和尺寸如图1所示。

图1 疲劳试验薄板试样形状和尺寸

进行薄板应变控制低周疲劳试验时，首先将试样安装到疲劳试验机夹头，然后按照三角波形(应变比为-1)加载试验。在薄板受到轴向力或轴向应变的过程中，弯曲变形占主导地位，薄板受到的横向剪切力引起的剪切变形可以忽略。三角波形控制下低周疲劳试验的应变-循环次数曲线见图2，试样两端被试验机夹头夹持固定，轴向受到交变载荷的作用。在试验过程中，试样受到的循环应力通常接近甚至超过其屈服强度，当试样厚度一定时，其轴向的应变量越大，越易发生厚度方向的屈曲变形导致试样失效，从而影响疲劳试验结果的准确性。

图2 三角波形控制下低周疲劳试验的应变-循环次数曲线

在试验过程中，会出现沿试样宽度方向或沿厚度方向的屈曲，其中沿试样厚度方向的屈曲(见图3)最常见。

图3 沿试样厚度方向的屈曲示意图

根据GB/T 26077-2010的要求，厚度为2.5~5mm的板状试样可以不采用防屈曲装置，厚度小于2.5mm的板状试样需要采用防屈曲装置以防止试样出现屈曲失稳影响试验结果，防屈曲装置示意图如图4所示。

图4 GB/T 26077-2010中的防屈曲装置示意图

防屈曲装置的基本原理是将两块夹板贴合并夹持于疲劳试样沿厚度方向的两侧，通过紧固螺栓锁紧在疲劳试样上，在试验过程中约束试样沿厚度方向的变形，从而达到防屈曲的目的。紧固螺栓既使夹板和试样紧密贴合，又避免载荷沿夹板传递影响试验结果。GB/T 26077-2010虽提供了防屈曲装置示意图，但并未提供具体技术参数。

在以往的试验中，薄板的疲劳试验多数进行拉-拉载荷循环，应力比为正值，几乎没有薄板在拉压循环载荷下的疲劳试验数据。近年来，为得到材料的疲劳性能数据，结构钢板的疲劳性能研究得到广泛关注。为了保证试验结果的准确性，防屈曲装置在薄板疲劳试验中得到广泛应用。

案例一：

采用防屈曲装置，对厚度为2mm的钛合金薄板和厚度为3mm的铝合金薄板分别进行疲劳试验。选用AMSLER型高频振动疲劳试验机，借助扭矩扳手等工具将试样固定在试验机夹头上，并在试样中部粘贴应变片，以便观察试样平行段的应力分布情况，如图10所示。

图10 试样中心截面及贴片示意图

通过试验发现，在徒手拧紧和用工具扳手拧紧防屈曲装置的情况下，相同载荷下试样的变形量并无显著差别，即在一定范围内防屈曲装置的拧紧程度对轴向载荷影响不大；在安装防屈曲装置后，试样不对称应变所占比例小，基本可以消除由压缩失稳而产生的屈曲现象。在不使用防屈曲装置情况下，试样在很小的压力下即产生明显屈曲导致疲劳试样失效，说明在薄板疲劳试验中防屈曲装置有着重要作用。一些稍厚的板即使没有发生明显的弯曲失稳，但是板件内已经产生弯曲应力，从而影响了试样的试验结果。

案例二：

研究了厚度为2.3mm的SAPH440钢车用薄板的单轴拉伸、低周疲劳和高周疲劳性能。由于试样厚度较小，在试验过程中按照GB/T 26077-2010标准的要求设计加工了防屈曲装置，避免试样在应力比R＜0的拉压循环载荷中出现屈曲失稳现象。

当金属薄板在进行拉压循环载荷试验时，研究者们均用到防屈曲装置。

案例三：

在对镁合金薄板进行双轴拉伸和单轴压缩力学性能测试时，为防止板材试样的屈曲可能带来测试结果不准确的问题采用了上述梳齿型夹具。

案例四：

对厚度为1mm的薄铜片进行了拉压循环载荷作用下的试验研究，通过监测试样和夹具支撑块之间的摩擦力(图11)，避免了在测量应力过程中产生误差。图11中曲线1代表第一个循环；曲线2是不使用防屈曲装置时试样的拉伸曲线；曲线3代表第二个循环；曲线4和5代表最后两个循环，图中灰色线条表示试验过程中摩擦力的变化情况。

图11 测试过程中摩擦力的变化

试验结果表明，试样和夹具支撑块之间的摩擦力相对较小且不改变循环应力-应变特性，摩擦力数据可以用来校正黄铜的应力-应变特性。在宽应变范围下，夹具适用于拉压试验。通过对摩擦力的测量，证明了防屈曲装置可用于材料的开发、测试、产品评价和质量控制，对实际生产具有重要意义。

在防屈曲装置的使用过程中仍然存在一些问题，其主要体现在以下几个方面：

(1)防屈曲装置与疲劳试样接触过程中，反复摩擦使试样棱边易形成磨蚀点，进一步诱发形成疲劳裂纹源，降低试样寿命。目前在防屈曲装置中，通过将工字型夹具中部宽度加工成小于试样平行段宽度可以在一定程度上解决该问题，但是否会出现新的磨蚀点还需经过试验论证。

(2)拧紧螺栓紧固防屈曲装置时，当拧紧螺栓扭矩过大时，装置与试样间摩擦力增大，阻碍试样轴向上的变形，且轴向加载力与试样实际受到的轴向力之间产生误差，影响试验结果准确性；当拧紧螺栓扭矩过小时，装置与试样间摩擦力变小，装置易与试样发生相对滑动，引发危险。

(3)润滑减摩材料的使用一方面可有效减少防屈曲装置与试样间的摩擦力，另一方面可起润滑保护作用。对于润滑减摩材料的选择，目前还缺少统一标准规范，也没有相关试验数据进行有效论证。

(4)试验时，通常将试样平行段长度设计为满足引伸计标距的长度，方便引伸计的装夹。传统的应变引伸计通常采用橡皮筋固定在试样的厚度方向，但橡皮筋不能保证引伸计与试样的刚性连接，试验过程中会出现松动，存在引伸计上下刀口受力不均的现象。使用防屈曲装置后，如何解决引伸计的装夹问题且保证测得准确的应变数据，是目前防屈曲装置研究中应该关注的问题。

防屈曲装置是一种金属薄板拉压疲劳试验过程中的附加夹具，它可以在试验过程中有效防止因板材刚度过小导致的屈曲变形现象，具有实用价值。目前市场上的防屈曲装置还不成熟，随着需求的增多，防屈曲装置的研发也成为各研究机构关注的焦点。我国薄板拉压低周疲劳的试验数据积累还远远不够，对防屈曲装置的研究也还有限。目前已有单位拥有自己研发的防屈曲装置，但尚处于内部试验阶段，未形成产品。

摩擦力在防屈曲装置对试验的影响中起到关键作用，通过加入润滑减摩材料可减小摩擦力对试验载荷的影响，保证装置与润滑减摩材料之间的良好连接，可在整个试验过程中保持摩擦力一致。拧紧螺栓的扭矩大小对试样在试验过程中轴向上的自由变形也存在着影响，通过控制扭矩大小可实现试样在防屈曲装置中自由伸缩。在测量应变方面，保证引伸计与试样的刚性连接可保证试验的安全有效进行。