金屬材料 疲勞試驗 軸向平面彎曲方法 征求意見稿

1GB/TXXXX-XXXX金屬材料疲勞試驗軸向平面彎曲方法本文件規(guī)定了室溫（10℃至35℃之間）下金屬材料試樣（未故意引入應(yīng)力集中）軸向等幅力或位移控制平面彎曲疲勞試驗的條件。本文件不包括反向/部分加載試驗。試驗的目的是提供相關(guān)結(jié)果，如在不同應(yīng)力比、給定材料條件（如硬度和微觀結(jié)構(gòu)）下，施加應(yīng)力與失效循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。本文件適用于矩形和斜切橫截面試樣的軸向平面彎曲疲勞試驗，產(chǎn)品構(gòu)件和其他特殊形狀試樣的檢測不包括在內(nèi)。由于缺口試樣的形狀和尺寸沒有標準化，因此本文件不包含缺口試樣的疲勞試驗。但是，本文件中描述的疲勞試驗過程可應(yīng)用于檢測附錄A中缺口試樣的疲勞試驗。疲勞試驗的結(jié)果可能受大氣條件的影響，因此要求按照ISO554:1976標準的2.1控制要求的試驗條件。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T16825.1金屬材料靜力單軸試驗機的檢驗與校準第1部分：拉力和（或）壓力試驗機測力系統(tǒng)的檢驗與校準（GB/T16825.1-2022，ISO7500-1:2018，IDT）JJG475電子式萬能試驗機JJG556軸向加力疲勞試驗機檢定規(guī)程3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1測試橫截面厚度thicknessoftestsectionδ矩形橫截面試樣或試件的厚度（見圖1）。3.2測試橫截面寬度widthoftestsectionw矩形橫截面試樣或試件的寬度（見圖1）。標引符號說明：2GB/TXXXX-XXXXLz——試樣長度；w——試樣寬度；δ——試樣厚度；rc——圓角半徑。圖1矩形截面試樣幾何尺寸3.3試樣長度specimenlengthLz試樣的總長度。3.4試樣橫截面積specimencross-sectionS試樣橫截面的面積。3.5圓角半徑cornerradiusrc矩形橫截面試樣圓角處的半徑。3.6內(nèi)輥加載點之間的距離distancebetweeninnerloadingpointsd1兩個內(nèi)輥軸線之間的距離（見圖2）。標引序號和符號說明：1——測試面；d1——內(nèi)輥加載點間距；d2——外輥加載點間距；F——應(yīng)力。圖2測試裝置示意圖3.7外輥加載點之間的距離distancebetweenouterloadingpointsd2GB/TXXXX-XXXX兩個外輥軸線之間的距離（見圖2）。3.8輥徑rollerdiameterDR四個輥的直徑。3.9應(yīng)力循環(huán)stresscycle應(yīng)力隨時間周期性的等幅變化（見圖3）。標引序號和符號說明：X——時間；Y——應(yīng)力或載荷；1——單個應(yīng)力循環(huán)；2——最大應(yīng)力，σmax；3——平均應(yīng)力，σm；4——最小應(yīng)力，σmin；5——應(yīng)力幅，σa；6——應(yīng)力范圍，△σ。圖3應(yīng)力或載荷疲勞循環(huán)3.10最大應(yīng)力maximumstressσmax在應(yīng)力循環(huán)中具有最大代數(shù)值的應(yīng)力（見圖3）。3.11平均應(yīng)力meanstressσm最大應(yīng)力和最小應(yīng)力代數(shù)和的一半（見圖3）。3.12最小應(yīng)力minimumstressσmin一個應(yīng)力循環(huán)內(nèi)具有最小代數(shù)值的應(yīng)力（見圖3）。3.13應(yīng)力幅stressamplitudeσa最大應(yīng)力和最小應(yīng)力代數(shù)差的一半（見圖3）。4GB/TXXXX-XXXXσa=Δσ/23.14應(yīng)力范圍stressrangeΔσ最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的代數(shù)差（見圖3）。Δσ=σ-3.15應(yīng)力比stressratioRσ在疲勞試驗中任一個單循環(huán)的最小應(yīng)力和最大應(yīng)力比值（見圖4）。Rσ=σmin/σmax圖4應(yīng)力或載荷循環(huán)類型3.16載荷比loadratioRF在疲勞試驗中任一個單循環(huán)的最小載荷和最大載荷比值（見圖4）。3.17循環(huán)次數(shù)numberofcyclesN力-時間、應(yīng)力-時間、應(yīng)變-時間等周期性重復(fù)函數(shù)的最小循環(huán)次數(shù)。3.18疲勞壽命fatiguelifeNf按規(guī)定的失效準則試驗時達到的循環(huán)數(shù)。3.19施加的力appliedforceF試驗時施加的力（用于力控試驗）。3.20彎矩bendingmomentMGB/TXXXX-XXXX內(nèi)輥之間的恒定力矩，通過施加的力和輥間距離(d1和d2)計算。4符號和說明4.1與試樣幾何尺寸相關(guān)的符號本文件使用的與試樣幾何尺寸相關(guān)的符號、名稱和單位見表1。表1與試樣形狀相關(guān)的符號、名稱和單位符號名稱單位δ測試橫截面厚度mmδ1斜切截面試樣縮減后的厚度mmw測試橫截面寬度mmw1斜切截面試樣縮減后的寬度mmLz試樣長度mmI截面面積平方mm4dnba與中心彎曲軸的最大距離mmS試樣橫截面積mm2rc圓角半徑mm4.2與試驗儀器相關(guān)的符號本文件使用的與試驗儀器相關(guān)的符號、名稱和單位見表2。表2試驗儀器相關(guān)符號、名稱和單位符號名稱單位d1內(nèi)輥加載點之間的距離mmd2外輥加載點之間的距離mmDR輥徑mm4.3與疲勞試驗相關(guān)的符號本文件使用的與疲勞試驗相關(guān)的符號、名稱和單位見表3。表3疲勞試驗相關(guān)符號、名稱和單位符號名稱單位βhi載荷i對應(yīng)的應(yīng)力均勻性σmax最大應(yīng)力MPaσm平均應(yīng)力MPaσmin最小應(yīng)力MPaσa應(yīng)力幅MPaΔσ應(yīng)力范圍MPa6GB/TXXXX-XXXXσ測試應(yīng)力MPaRσ應(yīng)力比RF載荷比N循環(huán)次數(shù)次Nf疲勞壽命次F施加的力NM彎矩N-m5原理試驗的原理是將試樣放置在如圖2所示的四個支輥之間。然后施加一個等幅循環(huán)力，從而使試樣的被測試面受到等幅的拉應(yīng)力。試驗一直持續(xù)到試樣失效或者直到達到一個預(yù)先設(shè)定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。將公稱尺寸相同的試樣裝夾在疲勞試驗機上，并對試樣施加載荷以引入平面彎曲循環(huán)應(yīng)力?？梢允褂脠D4所示的任一種類型的循環(huán)應(yīng)力。試驗波形宜為等幅的正弦曲線。6試驗計劃在開始試驗之前，除非在相關(guān)的產(chǎn)品標準中另有規(guī)定，供需雙方應(yīng)在以下方面達成一致：a）試樣的形狀（見7.1）；b）應(yīng)力比；c）要求確定下列測試目標：—規(guī)定應(yīng)力幅下的疲勞壽命；—規(guī)定循環(huán)次數(shù)內(nèi)的疲勞強度；—整條S-N曲線；d）被檢測試樣號和試驗順序；e）試驗中未失效試樣應(yīng)終止試驗時的循環(huán)次數(shù)。7.1試樣的形狀通常采用經(jīng)過完全機械加工且具有均勻厚度矩形截面試驗部位的試樣。為了避免裂紋從拐角處萌生，可以在每個拐角上加工一個圓角（見圖1）或者使用斜切截面試樣（見圖5）。當要求考慮材料在實際應(yīng)用時的表面條件時，應(yīng)保證具有最大應(yīng)力的表面為未加工狀態(tài)。標引符號說明：Lz——試樣長度；w——試樣寬度；δ——試樣厚度；w1——測試截面寬度（見3.2）；7GB/TXXXX-XXXXδ1——斜切截面試樣減小后的厚度。圖5斜切截面試樣幾何尺寸7.2試樣的尺寸為了使剪應(yīng)力對彎曲應(yīng)力的影響（低于5%，以VonMises等效應(yīng)力表示）最小，試樣厚度與內(nèi)外輥受力點間距的比值應(yīng)滿足式（1）：＜0.5（1）由于試樣的彎曲，當施加載荷時，試樣上輥接觸點之間的距離發(fā)生變化。與第9章中計算的值相比，這種變化會影響試樣中的應(yīng)力水平。計算應(yīng)力σcal與實際應(yīng)力σreal之間的誤差與輥徑成正比，可以使用式（2）近似。該誤差應(yīng)低于5%。其中在試驗過程中夾具的最大位移?r可用式（3）確定：其中E為測試樣品材料的楊氏模量7.3試樣的制備7.3.1一般要求在任何一個旨在表征材料固有特性的疲勞試驗程序中，按照以下建議進行試樣的制備是非常重要的。如果試驗的目的是為了確定與這些建議不相符的特定因素（如表面處理，氧化等）的影響，則允許有一些偏離。在任何情況下，這些偏離均應(yīng)在試驗報告中加以注明。試樣的表面狀態(tài)對試驗結(jié)果有影響。這類影響一般都和以下一個或者多個因素相關(guān)：—試樣的表面粗糙度；—殘余應(yīng)力的存在；—材料微觀結(jié)構(gòu)的改變；—雜質(zhì)的引入。7.3.2.1、7.3.2.2和7.3.2.3中給出的建議將這些因素的影響減至最小。7.3.2機加工程序7.3.2.1一般要求選擇的加工流程可能會在試樣表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而影響試驗結(jié)果。這些殘余應(yīng)力可能是在機加工階段的熱梯度或材料的變形或微觀結(jié)構(gòu)的變化引起的。在高應(yīng)力水平下試驗時，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力可能部分或者全部釋放，因此殘余應(yīng)力的影響很小。然而，選擇合適的機加工流程（特別是在最后的拋光階段前）會減小殘余應(yīng)力。例如，建議使用X射線衍射技術(shù)檢查此類表面殘余應(yīng)力。表面粗糙度通常采用平均粗糙度或者類似的參量（如十點平均粗糙度或最大不平高度）進行量化。規(guī)定表面粗糙度宜小于Ra0.2μm（或其他參量的等效數(shù)值）。由于疲勞壽命更依賴于局部粗糙度，輪廓的最大高度提供了表面粗糙度的附加信息，因此應(yīng)進行測量和報告。另一個不同于平均粗糙度的重要參量是存在于局部的機械劃痕。宜在最終磨削之后對試樣進行縱向機械拋光。在低倍（約20倍）下檢查試樣，標距內(nèi)不應(yīng)顯示任何橫向劃痕。建議拋光前進行縱向磨削而不是刀具操作（銑削）。8GB/TXXXX-XXXX如果試樣在粗加工后要進行熱處理，最好在熱處理后進行最終的拋光處理。否則熱處理宜在真空或惰性氣體中進行，以防止試樣氧化。熱處理不應(yīng)改變所研究材料的微觀結(jié)構(gòu)特性。熱處理及機加工程序的細節(jié)應(yīng)與試驗結(jié)果一起報告。為了避免毛邊角過早產(chǎn)生裂紋，建議通過拋光以形成圓角或加工成給定半徑的圓角。7.3.2.2材料微觀結(jié)構(gòu)的改變這種現(xiàn)象可能是由溫度升高和/或由機加工或磨削導致的應(yīng)變硬化引起的。它可以是組織中相的改變，更多的情況是試樣表面發(fā)生再結(jié)晶。由于試驗的材料不再是初始狀態(tài)，上述微觀結(jié)構(gòu)的改變將直接導致試驗結(jié)果無效。因此，宜采取一切預(yù)防措施以避免這種風險。7.3.2.3雜質(zhì)的引入某些元素和化合物的存在會使特定材料的力學性能下降，例如氯對鋼和鈦合金的影響。因此，在使用的產(chǎn)品（切削液等）中宜避免包含這些元素。建議在存儲試樣前進行沖洗和脫脂處理。7.3.3取樣及標記從半成品或者構(gòu)件的試驗材料上的取樣方式可能會對試驗過程中所獲得的結(jié)果產(chǎn)生重大影響。因此取樣時有必要了解取樣部位的全部信息。如有必要，在試驗報告中附上取樣圖，并宜清晰地標明：—每個試樣的取樣位置；—半成品的特征方向（如軋制方向、擠壓方向等—每個試樣的標記/標識符。試樣在其制備的每個不同階段都應(yīng)有一個標記/標識符。這個標記/標識符可以采用任何可靠的方法標記在機加工過程中不容易丟失或者不影響試驗質(zhì)量的區(qū)域。試驗前，應(yīng)在試樣的每一端進行標識。7.3.4尺寸檢查應(yīng)在最終機加工階段完成后，采用不改變疲勞試驗結(jié)果的計量方法對試樣進行尺寸測量。7.3.5保存和運輸制備好的試樣應(yīng)妥善保存，以防止任何損傷（接觸劃痕或氧化等）。建議采用獨立的盒子保存試樣。在某些情況下，應(yīng)將試樣存放在真空瓶或者放有硅膠的干燥器中。應(yīng)盡量減少試樣的運輸。應(yīng)特別注意避免任何痕跡或劃痕。8試驗裝置8.1試驗機8.1.1概述試驗應(yīng)在能平穩(wěn)啟動的拉壓試驗機上進行。對于負載荷比，試驗過零時要求平滑穩(wěn)定。試驗機應(yīng)有較好的側(cè)向剛度和同軸度。應(yīng)定期檢查試驗機及其控制和測量系統(tǒng)。具體來說，每個傳感器和相關(guān)電子設(shè)備應(yīng)始終作為一個單元進行檢查。8.1.2力傳感器力傳感器應(yīng)具有側(cè)向和軸向剛度。它的量程和等級應(yīng)適合試驗時施加的力。它應(yīng)能達到疲勞額定值，并適用于試驗期間施加的力。在自動化系統(tǒng)中計算機輸出設(shè)備上顯示并記錄的力，或者在其他非自動化系統(tǒng)中最終的輸出力應(yīng)該在規(guī)定的真實力的允許變化范圍內(nèi)。力測量裝置的量程應(yīng)該足以覆蓋試驗力值的范圍，并且準確度應(yīng)優(yōu)于1%。力傳感器應(yīng)能夠進行溫度補償并且沒有大的零漂，溫度靈敏度變化每攝氏度不大于滿量程的0.002%。試驗機測力系統(tǒng)應(yīng)按照GB/T16825.1或JJG556進行靜態(tài)校準，其準確度應(yīng)為1級或優(yōu)于1級。應(yīng)確保增量動態(tài)測力誤差不超過所需測力范圍的±1%。注1：認識由于力傳感器單元和測試試樣的質(zhì)量引起的動態(tài)〔慣性力〕誤差的重要性是非常重要的。慣性力誤差等于夾持質(zhì)量乘以其局部加速度。表示為力范圍百分數(shù)的慣性力誤差，預(yù)計會隨著頻率的平9GB/TXXXX-XXXX方而變化，并且受到試樣柔度的強烈影響。試驗機〔剛體〕隨基礎(chǔ)連接的共振可能是主要的誤差源。具備用于動態(tài)試驗的特定力傳感器單元、夾具和聯(lián)軸器的試驗機，以及與檢測試樣具有相近一致性的應(yīng)變片試樣或者測力儀，應(yīng)在各個相關(guān)的頻率范圍進行動態(tài)力值測量的校準。注2：為了避免動態(tài)力誤差超過力值范圍的±1%，有必要建立一張誤差表來修正試驗機的動態(tài)力范圍。（見GB/T25917.1和GB/T25917.2）8.1.3位移傳感器如果在位移控制下進行試驗，位移測量系統(tǒng)應(yīng)參考JJG475的1級要求進行校準。8.1.4循環(huán)計數(shù)器試驗機應(yīng)配備精度達到1%的循環(huán)計數(shù)系統(tǒng)，并具有報錯跳閘功能以便在試樣失效時關(guān)閉機器。8.1.5試驗監(jiān)測儀器現(xiàn)代疲勞試驗設(shè)備普遍采用計算機控制和數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?，F(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中提供的基本軟件平臺提供精確的測試控制和報告生成。通常配備此系統(tǒng)用于在測試數(shù)據(jù)的數(shù)字或模擬域中提供實時數(shù)字顯示，以及圖形和表格形式測試結(jié)果的生成和存儲。在這種典型的數(shù)字系統(tǒng)中，力-時間數(shù)據(jù)點的采樣頻率應(yīng)足以確保施加在試樣上的峰值力的真實性。由于仍有許多模擬系統(tǒng)在使用，以下應(yīng)視為模擬數(shù)據(jù)記錄的最低要求：——力-時間記錄儀；——峰間探測器。8.1.6防旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)為確保整個試驗期間試驗裝置的兩部分對齊，試驗機應(yīng)配備防旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。8.2試驗設(shè)備圖2給出了一般示意圖。夾持裝置應(yīng)確保試樣的組裝是可重復(fù)的。輥是試驗臺的重要部件：—其硬度應(yīng)大于50HRC，以避免任何塑性變形；—其寬度應(yīng)大于試樣寬度；—其直徑應(yīng)符合第7.2條的規(guī)定；—其直徑不應(yīng)太小，以避免試樣壓痕；—其相對位置（平行）應(yīng)符合應(yīng)力均勻性應(yīng)力要求（見第10條）。注：輥的直徑通常具有相同的值。9應(yīng)力計算9.1概述測試應(yīng)力按式（4）和（5）計算：dnba（4）（5）9.2矩形截面試樣應(yīng)力計算9.2.1直角矩形截面試樣（6）GB/TXXXX-XXXX9.2.2圓角矩形截面試樣9.3斜切截面試樣應(yīng)力計算S=wδ-（10）10應(yīng)力均勻性檢測10.1原理應(yīng)力不均勻通常是由機器不對中或系統(tǒng)幾何缺陷導致的輥的相對位置引起的。應(yīng)力均勻性應(yīng)在每一系列試驗之前或在力系發(fā)生變化時進行檢測。建議用于測量應(yīng)力均勻性的裝置的幾何形狀和材料應(yīng)盡可能接近測試試樣。應(yīng)將四個應(yīng)變片（排列成兩行兩列）編號并放置在拉伸面上，如圖6所示。應(yīng)變片應(yīng)全部匹配，即來自同一制造商的批次。建議它們的有效長度約為0.1d1或更小。標引符號說明：d1——內(nèi)輥加載點間距；w——試樣寬度。圖6用于應(yīng)力檢測試樣及應(yīng)變片位置示意圖10.2測量方法1）將應(yīng)變片的引線連接到調(diào)節(jié)設(shè)備上，讓系統(tǒng)在通電狀態(tài)下至少穩(wěn)定30分鐘；GB/TXXXX-XXXX2）在試驗系統(tǒng)中安裝均勻性裝置，使應(yīng)變片和鄰近輥之間的距離約為0.25d1；3）將應(yīng)變片歸零；4）等幅施加十個力增量直至疲勞試驗的最大預(yù)期力，并記錄應(yīng)變片的相應(yīng)讀數(shù)。將力歸零。10.3計算每個載荷的應(yīng)力均勻性質(zhì)量i由公式（13）給出。i=max（13）其中ε1、ε2、ε3、ε4是應(yīng)變片的讀數(shù)。（14）全局應(yīng)力均勻性是10個載荷水平上應(yīng)力均勻性的最大值。為了進行有意義的測量，必須在測試系統(tǒng)中確定試樣定位的可重復(fù)性。為此，對最大載荷應(yīng)力均勻性的5個測量值計算平均值和標準偏差值。為保證良好的重復(fù)性，標準偏差值不應(yīng)超過平均值的5%。11試驗程序11.1試驗裝置的安裝應(yīng)安裝試驗裝置以保證輥的平行度和位置。一個簡單的方法是在特定的試樣上加工出與輥位置相對應(yīng)的V形槽（見圖7）。應(yīng)避免試驗裝置兩部分之間的旋轉(zhuǎn)。圖7用于輥定位的凹槽設(shè)置塊11.2試樣的裝夾應(yīng)注意確保每個測試試樣在縱向和橫向上對稱放置。在試樣安裝過程中，應(yīng)注意避免在被測表面上留下任何痕跡或劃痕。11.3試驗頻率力循環(huán)的頻率取決于所用試驗機的類型，并且在許多情況下也取決于試樣的剛度。頻率的選擇應(yīng)適合材料、試件和試驗機的特定組合。如果頻率取決于試件和試驗機組合的動態(tài)特性，就有必要在試驗前測量試件的剛度。注1：軸向力控制疲勞試驗機的一般使用頻率范圍大約為1Hz~100Hz。在高頻率時，試樣會產(chǎn)生較大熱量，從而影響疲勞壽命和疲勞強度的試驗結(jié)果。如果試樣發(fā)熱，建議降低試驗頻率。如果試樣溫度超過35℃,應(yīng)在報告中注明。注2：如果環(huán)境影響顯著，則試驗結(jié)果可能依賴于頻率。11.4力或位移的施加GB/TXXXX-XXXX試驗程序應(yīng)確保一組試樣中每個試樣達到目標運行條件的循環(huán)次數(shù)相同。該階段應(yīng)盡可能短，不應(yīng)超過試樣疲勞壽命的1%。對于力控制試驗，平均力和力值范圍應(yīng)該保持在力值范圍的±1%內(nèi)。對于位移控制試驗，平均位移和位移范圍應(yīng)該保持在位移范圍的±1%以內(nèi)。11.5溫濕度記錄試驗通常在室溫（10℃~35℃)下進行。在試驗過程中，應(yīng)記錄每天的最大和最小空氣溫度和濕度。11.6失效判據(jù)和試驗終止11.6.1失效判據(jù)除非另有協(xié)議，失效判據(jù)應(yīng)該是試樣斷裂。在一些特殊應(yīng)用中，其他的判據(jù)，例如可見的疲勞裂紋的出現(xiàn)、試樣的塑性變形或者裂紋的擴展速率，都可以采用，但該批次的所有試樣均應(yīng)采用相同的判據(jù)。11.6.2試驗終止當試樣失效或達到預(yù)定的循環(huán)次數(shù)時，終止試驗。11.7試驗有效性試驗結(jié)束且被測試樣失效后，需要對試樣進行檢查，以確認試驗結(jié)果的有效性。在以下情況下，應(yīng)宣布試驗無效且不考慮結(jié)果：—失效發(fā)生在測試區(qū)域之外（即內(nèi)輥之外—裂紋萌生于橫截面的拐角處。12疲勞結(jié)果的表達研究的設(shè)計和結(jié)果的使用，決定了從許多可用的、圖形化的和其他方式的結(jié)果中選擇最合適的方法。疲勞試驗的結(jié)果通常用圖形表示。在報告疲勞數(shù)據(jù)時，應(yīng)明確規(guī)定試驗條件。除了圖形表示外，在表示格式允許的情況下，表格數(shù)字數(shù)據(jù)也是可取的。所有的細節(jié)，可參考GB/T24176-2009。13試驗報告試驗報告應(yīng)包括以下信息（如果有）：a）本文件編號及其出版日期；b）被測材料的冶金特性，拉伸性能和試樣的熱處理工藝；c）試樣在母材上的位置；d）試樣的形狀和公稱尺寸；e）試樣的表面狀態(tài)；f）載荷或位移單元的參考；g）試驗裝置的參考；h）設(shè)備特性（L1，L2,D）；i）波形；j）控制參數(shù)（即力或位移k）試驗頻率；l）試樣幾何形狀；m）負載比；n）失效判據(jù)。對