CSTM-金屬材料 十字形面內(nèi)雙軸拉-壓疲勞試驗方法（征求意見稿）編制說明

《金屬材料十字形面內(nèi)雙軸拉-壓疲勞試驗方法》（征求意見稿）CSTM團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)編制說明一、工作簡況1、任務(wù)來源本項目是依據(jù)中國材料與試驗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會（以下簡稱：CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會）鋼鐵材料領(lǐng)域委員會綜合[2021]248號文“關(guān)于CSTM標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料十字形面內(nèi)雙軸拉/壓疲勞試驗方法》的立項公告”下達(dá)的項目計劃，項目編號為CSTMLX010000831—2021，項目名稱為“金屬材料十字形面內(nèi)雙軸拉/壓疲勞試驗方法”。本項目是制定項目。主要起草單位:天津大學(xué)等。計劃完成時間為2022年。2、主要工作過程起草(草案、調(diào)研)階段:計劃下達(dá)后，2021年8月CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會鋼鐵材料領(lǐng)域委員會組織各起草單位成立了起草工作組，由天津大學(xué)牽頭成立了標(biāo)準(zhǔn)編制工作組，負(fù)責(zé)主要起草工作。工作組對國內(nèi)外金屬材料十字形面內(nèi)雙軸拉/壓疲勞試驗方法的現(xiàn)狀與發(fā)展情況進(jìn)行全面調(diào)研，同時廣泛搜集相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外技術(shù)資料，進(jìn)行了大量的研究分析、資料查證工作，結(jié)合實際應(yīng)用經(jīng)驗，進(jìn)行全面總結(jié)和歸納，在此基礎(chǔ)上編制出《金屬材料十字形面內(nèi)雙軸拉/壓疲勞試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)草案初稿。經(jīng)工作組及有關(guān)專家研討后，對標(biāo)準(zhǔn)草案初稿進(jìn)行了認(rèn)真的修改，于2022年4月形成了標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿及其編制說明等相關(guān)附件，報全國鋼標(biāo)委第一分委員會秘書處。征求意見階段:2022年4月18日，由CSTM鋼鐵材料領(lǐng)域委員會秘書處將標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿和編制說明發(fā)送到全國鋼標(biāo)委力學(xué)分委員會委員及有代表性的標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)方廣泛征求意見，同時在《鋼鐵標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)》網(wǎng)站上公開征求社會意見，為期1個月時間。3、主要參加單位和工作組成員及其所做的工作本標(biāo)準(zhǔn)由天津大學(xué)等單位共同起草。主要成員:二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則本標(biāo)準(zhǔn)在制定過程中，遵循“面向市場、服務(wù)產(chǎn)業(yè)、自主制定、適時推出、及時修訂、不斷完善”的原則，注重標(biāo)準(zhǔn)修訂與技術(shù)創(chuàng)新、試驗驗證、產(chǎn)業(yè)推進(jìn)、應(yīng)用推廣相結(jié)合，本著先進(jìn)性、科學(xué)性、合理性和可操作性以及標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)、統(tǒng)一性、協(xié)調(diào)性、適用性、一致性和規(guī)范性的原則來進(jìn)行本標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。本標(biāo)準(zhǔn)在起草過程中主要按GB/T1.1-2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分:標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)則》的要求編寫。在確定本標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)指標(biāo)時，綜合考慮生產(chǎn)企業(yè)的能力和用戶的利益，尋求最大的經(jīng)濟(jì)、社會效益，充分體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)上的先進(jìn)性和合理性。三、主要內(nèi)容說明1、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容1.1范圍相比其他雙軸試驗方法，十字形雙軸拉/壓疲勞試驗的最大優(yōu)勢在于可以精確實現(xiàn)任意復(fù)雜加載路徑和加載波形下的應(yīng)力應(yīng)變采集，同時配合相應(yīng)試驗設(shè)備可以實現(xiàn)高溫試驗。所以標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍包括了金屬板材在室溫及高溫下采用十字形試樣進(jìn)行的雙軸拉/壓疲勞試驗，加載模式包括比例加載和復(fù)雜路徑下的非比例加載。1.2術(shù)語和定義該部分基于試驗需求列舉了十字形試樣幾何結(jié)構(gòu)和DIC應(yīng)變測量系統(tǒng)的相關(guān)術(shù)語，并進(jìn)行了定義。此外，為了增強對復(fù)雜路徑多軸非比例加載條件的理解，提高雙軸原位加載試驗試驗設(shè)計能力，本文件增加了四個術(shù)語，并進(jìn)行了定義：雙軸疲勞試驗（biaxialfatiguetest）：試樣在加載過程中兩個主應(yīng)力或主應(yīng)變的方向和幅值隨時間有規(guī)律的變化的力學(xué)試驗。非比例加載（non-proportionalloading）：試樣在加載過程中主應(yīng)力或主應(yīng)變的方向隨時間的改變而發(fā)生變化的加載條件。加載路徑（loadingpath）：對試樣施加的載荷在應(yīng)力空間中的軌跡。原位加載（Insituloading）：無論在何種加載模式和任意變形階段下，十字形試樣的中心位置均保持不變的加載過程。1.3試驗原理試驗原理章節(jié)簡要描述了雙軸疲勞試驗機(jī)通過兩組正交加載軸對十字形試樣施加雙軸復(fù)雜疲勞載荷的試驗流程。應(yīng)用了高溫變形補償法和平均應(yīng)力設(shè)置準(zhǔn)則，幫助標(biāo)準(zhǔn)使用人員在實驗中避免試樣失穩(wěn)現(xiàn)象。1.4儀器和設(shè)備規(guī)定了雙軸疲勞試驗機(jī)的結(jié)構(gòu)和形式。為了保證雙軸疲勞試驗機(jī)在復(fù)雜路徑非比例循環(huán)加載條件下的控制精度，規(guī)定各軸向的位移控制精度不低于±0.05mm，最高動態(tài)頻率不低于10Hz。為了在高頻循環(huán)加載試驗中準(zhǔn)確采集試驗數(shù)據(jù)，不丟失關(guān)鍵數(shù)據(jù)點。規(guī)定控制器的采樣頻率不低于1000Hz，同時載荷傳感器精度應(yīng)不低于±1%FS，精度范圍宜在1%-100%FS內(nèi)，且最大測量范圍應(yīng)滿足試驗需要。規(guī)定了適用于十字形試樣的夾具的形式。對于高溫試驗，則推薦采用水冷夾具，夾具的形式如圖1所示。為了避免試樣在拉-壓疲勞實驗中失穩(wěn)，推薦在實驗中采用抗屈曲夾具，夾具的形式如圖2所示。推薦在十字形面內(nèi)雙軸拉/壓試驗中采用DIC系統(tǒng)或電阻應(yīng)變計測量應(yīng)變。其中，電阻應(yīng)變計的粘貼應(yīng)遵循以下步驟：1貼片前根據(jù)試樣材料選擇800~1000目的砂紙，除去中心減薄區(qū)表面油污、銹斑、氧化膜等，并打磨出與貼片方向呈45°的交叉條紋。打磨后可用丙酮、無水乙醇等有機(jī)溶劑單方向清洗打磨部位，并用無水乙醇洗至棉球上不見任何污漬為止；2將應(yīng)變計放在清潔的聚四氟乙烯薄膜上，用浸有少量無水乙醇的棉簽輕輕擦洗兩個表面，將粘貼面朝上晾干備用；3在中心減薄區(qū)的貼片位置涂刷適量粘接劑，將應(yīng)變計準(zhǔn)確貼在該位置上。4在應(yīng)變計上蓋上一層聚四氟乙烯薄膜，沿應(yīng)變計軸線方向滾壓1~2min，排凈氣泡并擠出多余的粘接劑。5待粘接劑干燥，從無引線的一端揭起聚四氟乙烯薄膜，用力方向盡量與粘貼方向齊平，以防帶起電阻應(yīng)變計。加熱系統(tǒng)建議優(yōu)先采用電阻絲或加熱棒對中心減薄區(qū)范圍進(jìn)行加熱。圖1水冷夾具圖2抗屈曲夾具1.5試樣雙軸疲勞十字形試樣的形式如圖3所示，本文件規(guī)定了推薦的幾何尺寸和公差要求。為了防止試樣在高周次循環(huán)加載過程中滑脫，在試樣的夾持端增加了緊固螺栓孔。在試樣中心增加了中心減薄區(qū)以獲得更好的變形能力和均勻的應(yīng)變場。為了避免材料微觀組織影響試驗結(jié)果的重復(fù)性，規(guī)定試樣中心減薄區(qū)的厚度不小于0.3倍的試樣厚度。圖3雙軸疲勞十字形試樣雙軸裂紋擴(kuò)展十字形試樣的形式如圖4所示，本文件規(guī)定了推薦的幾何尺寸和公差要求。為了獲得更加精確和均勻的應(yīng)力應(yīng)變場，在試樣臂上增加了開縫。中心減薄區(qū)的面積更大，與試樣臂同寬，以便于觀測試樣中心的裂紋擴(kuò)展情況。圖4雙軸裂紋擴(kuò)展十字形試樣十字形試樣的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工流程繁瑣，本文件規(guī)定了十字形試樣的制備流程，便于標(biāo)準(zhǔn)使用人員加工試樣。包括取樣和標(biāo)記、機(jī)加工程序、試樣的表面狀態(tài)、尺寸檢查和存放及運輸。1.6試驗步驟和試驗報告該部分規(guī)定了試驗中應(yīng)遵循的流程和試驗報告的內(nèi)容，著重介紹了雙軸載荷影響下的試樣尺寸測定、加載波形控制和失效定義。1.7附錄A基于有限元分析的十字形試樣改進(jìn)案例十字形試樣的結(jié)構(gòu)和形式對十字形雙軸拉/壓試驗結(jié)果有著重要的影響。該部分通過介紹基于有限元分析手段針對特定指標(biāo)改進(jìn)十字形試樣形式的流程案例，幫助標(biāo)準(zhǔn)使用人員設(shè)計符合試驗要求的試樣。1.8附錄B雙軸試驗機(jī)的類型與主要形式雙軸試驗機(jī)按驅(qū)動類型分為液壓伺服控制和電動機(jī)驅(qū)動控制兩種。本文件分別列舉了部分典型國產(chǎn)雙軸試驗機(jī)，幫助標(biāo)準(zhǔn)使用人員根據(jù)自身試驗需求選擇合適的測試平臺。圖4IPBF-8000雙軸疲勞實驗平臺四、主要試驗(或驗證)情況1、十字形試樣裂紋擴(kuò)展實驗研究了相位差和應(yīng)力比對國產(chǎn)AA2024鋁合金平面內(nèi)雙軸拉伸疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響。研究采用了十字形疲勞裂紋擴(kuò)展試樣，以此鑒定本次征求意見稿的規(guī)定內(nèi)容是否具有廣泛應(yīng)用水平。圖5雙軸裂紋擴(kuò)展十字形試樣1.1試驗設(shè)備和十字形試樣本次驗證試驗在國產(chǎn)IPBF-8000雙軸疲勞實驗平臺上進(jìn)行，該實驗平臺的控制精度、傳感器精度與數(shù)據(jù)采集精度均達(dá)到本次征求意見稿要求。采用的十字形試樣為是符合本次征求意見稿中7.1.3章節(jié)規(guī)定的雙軸裂紋擴(kuò)展試樣。試驗過程中采用CCD相機(jī)記錄裂紋擴(kuò)展情況，同時通過新型的熒光材料檢測試樣中心減薄區(qū)是否存在應(yīng)變集中，通過上述手段綜合評判試樣設(shè)計是否科學(xué)合理。表1裂紋擴(kuò)展疲勞實驗內(nèi)容材料厚度/mm試驗機(jī)實驗參數(shù)相位差應(yīng)力幅值比兩軸載荷比AA20242IPBF-80000°90°180°0.111.2裂紋擴(kuò)展試驗結(jié)果實驗內(nèi)容如表1所示，加載波形為三角波。為了探究相位差對裂紋擴(kuò)展速率的影響，我們引入了能量釋放率，計算公式1-4如下：KΙ=KΙΙ=G=Δ圖6能量釋放率與裂紋擴(kuò)展速率實驗結(jié)果如圖6所示，當(dāng)相位差為180°時，單位裂紋擴(kuò)展長度釋放的變形能最低，在該加載條件下試樣對裂紋的敏感性最高，最容易損壞。圖7熒光鍍膜應(yīng)變場相位差為180°時的熒光鍍膜的分析結(jié)果如圖7所示。十字形試樣的中心減薄區(qū)在雙軸循環(huán)加載過程中的變形集中只發(fā)生在裂紋尖端并隨著裂紋擴(kuò)展，在其余位置應(yīng)變分布十分均勻，沒有變形集中的產(chǎn)生。試驗結(jié)果表明征求意見稿推薦的試樣形式在實驗中體現(xiàn)出變形均勻和方便觀測記錄等優(yōu)點，適用于十字形試樣裂紋擴(kuò)展實驗。四、標(biāo)準(zhǔn)中涉及專利的情況本標(biāo)準(zhǔn)不涉及專利問題。五、預(yù)期達(dá)到的社會效益、對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用等情況目前在國內(nèi)的工程應(yīng)用中仍多采用材料的單軸疲勞性能參數(shù)來校核工件的疲勞壽命。但是研究表明，實際服役情況下工程構(gòu)件多處于多軸應(yīng)力加載條件下。多軸應(yīng)力狀態(tài)下材料會產(chǎn)生非比例附加強化導(dǎo)致疲勞壽命顯著下降，將材料特性的評估局限于單軸測試可能會導(dǎo)致對工程結(jié)構(gòu)中材料行為的錯誤描述，所以發(fā)展多軸疲勞試驗技術(shù)是十分必要的。相比傳統(tǒng)的多軸疲勞試驗技術(shù)，十字形面內(nèi)雙軸拉/壓疲勞試驗具有易實現(xiàn)復(fù)雜力學(xué)條件和試驗數(shù)據(jù)采集簡單精確等優(yōu)點。但由于十字形面內(nèi)雙軸試驗國內(nèi)起步較晚，目前國內(nèi)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)要求。因此各研究單位的十字形面內(nèi)雙軸疲勞研究遵循的標(biāo)準(zhǔn)各不相同，無法相互統(tǒng)一比較，導(dǎo)致研究結(jié)果水平層次不齊。所以缺乏十字形面內(nèi)雙軸疲勞試驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件是當(dāng)前面臨的主要問題。本標(biāo)準(zhǔn)的制定和實施填補了國內(nèi)十字形面內(nèi)疲勞試驗標(biāo)準(zhǔn)的空白，通過標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一指導(dǎo)，可以使國內(nèi)的十字形面內(nèi)疲勞試驗手段規(guī)范化、統(tǒng)一化，與國際接軌。這促進(jìn)了國內(nèi)外多軸疲勞研究的溝通和交流，也推進(jìn)了國內(nèi)各單位多軸疲勞研究的互通有無和共同發(fā)展。六、與國際、國外對比情況本文件與BSISO16842:2014和ISO/TR12112:2018相比，主要技術(shù)差異如下:主要技術(shù)指標(biāo)本文件BSISO16842:2014ISO/TR12112:2018結(jié)論標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)范圍試樣設(shè)計、試驗機(jī)規(guī)格和傳感器準(zhǔn)確度試樣設(shè)計和試驗方法試樣設(shè)計和試驗方法指導(dǎo)范圍更寬標(biāo)準(zhǔn)時效性補充了近十年國內(nèi)和國際的最新研究進(jìn)展內(nèi)容為2007年之前的相關(guān)研究工作內(nèi)容為2007年之前的相關(guān)研究工作內(nèi)容更具有時效性標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包括試樣、試驗機(jī)和試驗流程只包括試樣設(shè)計和數(shù)據(jù)處理只包括試樣設(shè)計本標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容更豐富是否滿足國內(nèi)需求本標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容充實，滿足國內(nèi)需求缺乏試驗流程和試驗機(jī)相關(guān)內(nèi)容缺乏試驗流程和試驗機(jī)相關(guān)內(nèi)容更符合國內(nèi)需求七、在標(biāo)準(zhǔn)體系中的位置，與現(xiàn)行相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章及標(biāo)準(zhǔn)，特別是強制性標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性本文件屬于“冶金行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)（200）”標(biāo)準(zhǔn)體系中“金屬理化性能試驗方法（203）”中的“力學(xué)與工藝（203.4）”標(biāo)準(zhǔn)體系。本文件與現(xiàn)行相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致。八、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)無。九、標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)的建議說明建議本文件的性質(zhì)為團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)