航空发动机结构中,服役于复杂应力状态下的关键限寿件失效破坏问题已成为限制其性能进一步提升的瓶颈问题。材料在实际服役过程中所承受的多轴应力被认为是导致其变形损伤、失效破坏的主要原因。传统测试方法仅考虑单轴载荷下材料的失效破坏,并不能测试分析多轴应力状态下材料的力学性能。非比例双轴拉伸测试方法由于相对简单且直观有效,在材料多轴性能测试研究中得到了广泛的重视和发展。本文针对合金材料在双轴应力状态下的低循环疲劳寿命问题,开展了非比例双轴拉伸试验装置设计分析及试验研究,具体工作如下:首先,开展了非比例双轴拉伸试验装置整机设计。针对试验需求,制定了试验装置整机方案和主要技术指标,具体包括机械主体框架、伺服液压系统(液压站、电液伺服作动器、数字伺服控制器等)和适用于薄板型试验件的对中可调的专用夹具。并将其装配、调试最终得到符合要求的非比例双轴拉伸试验装置。其次,开展双轴静拉伸、疲劳试验件设计。通过有限元分析、参数优选得到了满足试验要求的双轴静拉伸断裂试验件,即保证了在双轴拉伸状态下,试验件的屈服、断裂均发生在试验件的双向应力区。此外,设计了满足试验要求的双轴拉伸疲劳试验件,即保证了在循环载荷作用下,裂纹的萌生、扩展和试验件瞬断均发生在试验件的双向应力区。后续试验结果表明,该试验件的设计达到了预期效果。最后,基于搭建的非比例双轴拉伸试验装置,开展了GH4169、TA19、TC11三种材料在单轴、双轴工况下准静态拉伸断裂试验和低循环疲劳寿命试验,得到了材料在不同应力状态下的静强度性能以及在不同加载工况下的低循环疲劳寿命随加载工况参数之间的定量和定性关系。准静态拉伸试验结果表明:三种材料静强度性能均低于同种材料在不同比例双轴拉伸下的强度性能。低循环疲劳寿命试验结果表明:1)低循环疲劳寿命试验结果本身具有一定离散性;2)无论单轴还是双轴低循环疲劳寿命试验,确定工况后,材料的疲劳寿命随应力水平增大而对数减少,3)在双轴加载工况2下,材料的低循环疲劳寿命表现为随加载相位差的增大而线性减少,4)仅当双轴按比例加载时,即工况1时,材料的双轴拉伸低循环疲劳寿命才分布在单轴低循环疲劳寿命的误差带范围内,否则均低于相近应力水平下的单轴疲劳寿命。此外,在比较了常见的多轴疲劳等效应力表达式基础上,发现这些等效应力表达式中参数均未能体现多轴载荷工况特有的应力路径,因而不能准确表征加载工况。基于Von Mises等效应力的加载工况过程分析表明:多轴载荷循环下Mises等效应力的循环参数不同于各轴向的循环参数。