金屬材料 板狀、棒狀微型試樣 第1部分：疲勞試驗(yàn)方法 征求意見(jiàn)稿

1GB/Txxx—XXXX金屬材料板狀、棒狀微型試樣第1部分：疲勞試驗(yàn)方法本文件規(guī)定了金屬材料漏斗形板狀試樣低周疲勞試驗(yàn)方法的術(shù)語(yǔ)和定義、符號(hào)、試驗(yàn)原理、試樣、設(shè)備、試驗(yàn)程序、數(shù)據(jù)處理和試驗(yàn)報(bào)告等。本文件適用于厚度為0.6mm~2mm的均質(zhì)、各向同性、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈冪律的金屬材料漏斗形板狀試樣的等幅低周疲勞試驗(yàn)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)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(duì)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/T10623金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)術(shù)語(yǔ)GB/T12160金屬材料單軸試驗(yàn)用引伸計(jì)系統(tǒng)的標(biāo)定（GB/T12160-2019，ISO9513:2012，IDT）GB/T16825.1靜力單軸試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn)第1部分：拉力和(或)壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)力系統(tǒng)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)(GB/T16826.1—2008，ISO7500-1：2004，IDT)GB/T25917.1單軸疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)第1部分：動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)（GB/T25917.1-2019，ISO4965-1：2012，IDT）JJG556軸向加力疲勞試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T10623界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1力-位移遲滯回線(xiàn)force-displacementhysteresisloop試驗(yàn)記錄的一次循環(huán)中的力與引伸計(jì)標(biāo)距段位移的關(guān)系曲線(xiàn)2GB/Txxx—xxxx圖1典型的力-位移遲滯回線(xiàn)3.2力幅-位移幅曲線(xiàn)force-displacementamplitudecurve試樣的力幅和引伸計(jì)標(biāo)距段位移幅的關(guān)系曲線(xiàn)。3.3卸載剛度unloadingstiffnessS試樣首次卸載段的力-位移曲線(xiàn)斜率的卸載力-位移曲線(xiàn)如圖2所示。圖2典型的卸載力-位移曲線(xiàn)4符號(hào)和說(shuō)明本文件使用的符號(hào)及其名稱(chēng)、單位和說(shuō)明見(jiàn)表1。表1符號(hào)和說(shuō)明符號(hào)單位說(shuō)明b—疲勞強(qiáng)度指數(shù)c—疲勞延性指數(shù)Dmm試樣夾持端圓孔直徑3GB/Txxx—XXXX表1符號(hào)和說(shuō)明（續(xù)）符號(hào)單位說(shuō)明dmm引伸計(jì)標(biāo)距段位移damm引伸計(jì)標(biāo)距段位移幅da,emm引伸計(jì)標(biāo)距段位移幅的彈性分量da,pmm引伸計(jì)標(biāo)距段位移幅的塑性分量EGPa彈性模量FN軸向力FaN軸向力幅FmaxN最大軸向力FminN最小軸向力KaMPa循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)Lmm試樣長(zhǎng)度L0mm試樣工作段長(zhǎng)度L1mm試樣夾持端孔距mm引伸計(jì)標(biāo)距Nf周達(dá)到失效時(shí)的循環(huán)數(shù)na—循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)Rmm試樣漏斗圓弧半徑rmm試樣過(guò)渡段圓弧半徑SN/mm試樣卸載剛度tmm試樣厚度Wmm試樣夾持端寬度wmm試樣工作段寬度εamm/mm等效應(yīng)變幅εa,emm/mm等效應(yīng)變幅的彈性分量εa,pmm/mm等效應(yīng)變幅的塑性分量'εf—疲勞延性系數(shù)εnmm/mm引伸計(jì)標(biāo)距段軸向名義應(yīng)變，εn=(d-l0)/l0εn,amm/mm引伸計(jì)標(biāo)距段軸向名義應(yīng)變幅，εn,a=(εn,max-εn,min)/2εn,maxmm/mm引伸計(jì)標(biāo)距段軸向最大名義應(yīng)變?chǔ)舗,minmm/mm引伸計(jì)標(biāo)距段軸向最小名義應(yīng)變?chǔ)襛MPa等效應(yīng)力幅'σf—疲勞強(qiáng)度系數(shù)4GB/Txxx—xxxx5試驗(yàn)原理通過(guò)單試樣多級(jí)循環(huán)試驗(yàn)得到力幅-位移幅關(guān)系曲線(xiàn)，確定材料循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)和循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)，進(jìn)而得到材料的循環(huán)應(yīng)力幅-應(yīng)變幅關(guān)系。通過(guò)不同級(jí)應(yīng)變水平（名義應(yīng)變幅）的疲勞試驗(yàn)得到名義應(yīng)變幅-壽命曲線(xiàn)；由力幅、位移幅與試樣漏斗根部等效應(yīng)變幅的轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算得到各級(jí)名義應(yīng)變幅下試樣的應(yīng)變幅，再由循環(huán)應(yīng)力幅-應(yīng)變幅關(guān)系得到試樣漏斗根部等效應(yīng)力幅，進(jìn)而由應(yīng)變幅、應(yīng)力幅和壽命得到材料的Masson-coffin律。6試樣6.1試樣形狀與尺寸6.1.1板狀試樣采用漏斗形板狀試樣，試樣構(gòu)形如圖3所示。試樣的幾何尺寸應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：——避免發(fā)生壓縮失穩(wěn)；——最小厚度應(yīng)保證安裝于試樣側(cè)面的引伸計(jì)的穩(wěn)定性。試樣工作段長(zhǎng)度L0根據(jù)引伸計(jì)標(biāo)距l(xiāng)0選擇，l0大于試樣漏斗跨距（2R）。為避免壓縮失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，標(biāo)距段長(zhǎng)度L0應(yīng)不超過(guò)1.5w。推薦試樣幾何尺寸范圍及公差見(jiàn)表2。表2推薦試樣幾何尺寸范圍及公差范圍漏斗圓弧半徑R2mm≤R≤5mm試樣厚度tt≥0.6mm且0.1≤t/R≤0.4試樣工作段寬度ww=3R試樣工作段長(zhǎng)度L0L0=l0+2mm過(guò)渡圓弧半徑r2R≤r≤3R試樣長(zhǎng)度LL≥10R試樣夾持端孔距L1L1=L0+15mm試樣夾持端圓孔直徑D2R試樣夾持端寬度WW>D+2R試樣尺寸公差±0.02mm試樣尺平行度和垂直度≤0.02mm5GB/Txxx—XXXX圖3典型漏斗形板狀試樣幾何構(gòu)形6.2試樣的制備與儲(chǔ)存6.2.1試樣制備試樣應(yīng)從均質(zhì)的原材料或毛坯上切取。試樣制備工藝的選擇應(yīng)盡可能減小試樣的殘余應(yīng)力。應(yīng)盡可能減小試樣表面粗糙度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，平均表面粗糙度不大于1μm，漏斗根部粗糙度不大于Ra0.32μm。建議在制備的最終階段對(duì)漏斗根部進(jìn)行縱向拋光。試驗(yàn)材料若需熱處理后試驗(yàn)，應(yīng)先對(duì)材料進(jìn)行熱處理再加工成試樣。若熱處理后材料硬度過(guò)高，難于機(jī)加工，可先進(jìn)行粗加工，熱處理后再進(jìn)行精加工。6.2.2標(biāo)記應(yīng)對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)，且編號(hào)應(yīng)具有唯一性?？捎萌魏螛?biāo)記方法對(duì)試樣進(jìn)行標(biāo)記，但標(biāo)記不應(yīng)在加工過(guò)程中被消除，且標(biāo)記應(yīng)不影響試驗(yàn)結(jié)果。建議在試樣的兩端標(biāo)記試樣，試樣斷裂后的半截試樣也可以被識(shí)別出來(lái)。6.2.3尺寸檢查應(yīng)對(duì)試樣的尺寸進(jìn)行檢查，采用的檢查方法應(yīng)不改變?cè)嚇拥谋砻鏃l件。6.2.4儲(chǔ)存試樣制備好后，應(yīng)及時(shí)清洗并妥善儲(chǔ)存，以防試樣變形、表面損傷或腐蝕。應(yīng)盡可能避免運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)試樣造成的損傷。7試驗(yàn)裝置7.1試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)應(yīng)能按照指定的波形進(jìn)行應(yīng)變控制并測(cè)量試驗(yàn)力，且當(dāng)試驗(yàn)力過(guò)零時(shí)試樣不發(fā)生過(guò)沖。試驗(yàn)機(jī)應(yīng)有足夠的剛性和對(duì)中性。6GB/Txxx—xxxx7.2力傳感器力傳感器的量程應(yīng)足夠覆蓋試驗(yàn)時(shí)的力值變化范圍，且測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于1級(jí)。7.3二次夾具本文件所推薦的漏斗形板狀試樣無(wú)法用試驗(yàn)機(jī)夾具直接夾持，需采用二次夾具實(shí)現(xiàn)試樣與試驗(yàn)機(jī)的連接。二次夾具應(yīng)能夠?qū)⒃囼?yàn)力平穩(wěn)傳遞至試樣縱軸線(xiàn)上，且應(yīng)滿(mǎn)足7.6.2的對(duì)中性要求。二次夾具應(yīng)便于試樣的重復(fù)安裝，夾具材料的選擇應(yīng)保證夾具足夠的剛性。推薦的二次夾具構(gòu)形示意圖見(jiàn)圖4，其中M為螺紋孔大小。圖4二次夾具構(gòu)形示意圖7.4引伸計(jì)應(yīng)采用軸向引伸計(jì)測(cè)量試樣一側(cè)引伸計(jì)標(biāo)距段（l0）的名義應(yīng)變。引伸計(jì)應(yīng)適合長(zhǎng)期測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變并最大限度的降低信號(hào)漂移、滑動(dòng)和機(jī)械滯后。引伸計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于1級(jí)。按圖5所示方式安裝引伸計(jì)，安裝后的引伸計(jì)應(yīng)確保不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。7GB/Txxx—XXXX圖5引伸計(jì)安裝示意圖7.5數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)應(yīng)能記錄并采集試驗(yàn)過(guò)程中的時(shí)間、試驗(yàn)力、應(yīng)變和循環(huán)次數(shù)等信息。7.6設(shè)備檢驗(yàn)7.6.1檢查和校準(zhǔn)應(yīng)定期對(duì)試驗(yàn)機(jī)及其測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行檢查和校準(zhǔn)。應(yīng)按照GB/T16825.1、GB/T25917.1及JJG556對(duì)試驗(yàn)力測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。應(yīng)按照GB/T12160對(duì)引伸計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。7.6.2對(duì)中性檢查從制備好的試樣中任選一個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)前對(duì)中性檢查。對(duì)該試樣進(jìn)行彈性加載，測(cè)量其一側(cè)的名義應(yīng)變，其后將載荷卸除。保持試樣安裝狀態(tài)不變，將引伸計(jì)安裝到試樣的另一側(cè)，再次對(duì)試樣等載荷加載，測(cè)量試樣另一側(cè)的名義應(yīng)變。前后兩次測(cè)得的試樣兩側(cè)名義應(yīng)變的相對(duì)誤差應(yīng)不超過(guò)5%。若超過(guò)此限值，應(yīng)檢查并調(diào)整試驗(yàn)機(jī)、夾具和試樣，確保整個(gè)加載鏈系統(tǒng)滿(mǎn)足對(duì)中性要求。8試驗(yàn)程序8.1試驗(yàn)環(huán)境試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)符合以下條件：——恒定的室溫及相對(duì)濕度；——最小限度的大氣污染（如灰塵、化學(xué)蒸汽等）；——沒(méi)有能夠影響試驗(yàn)機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集的外部電信號(hào)干擾；——最小限度的外部機(jī)械振動(dòng)。8GB/Txxx—xxxx8.2試驗(yàn)控制試驗(yàn)應(yīng)采用應(yīng)變控制方式對(duì)試樣進(jìn)行循環(huán)加載，以試樣一側(cè)的名義應(yīng)變?yōu)榭刂茟?yīng)變。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變峰值控制誤差在1%以?xún)?nèi)。應(yīng)變控制波形在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)保持穩(wěn)定，推薦使用三角波。試驗(yàn)頻率應(yīng)使試樣漏斗根部溫度改變不超過(guò)2℃。推薦試驗(yàn)頻率：0.01Hz～lHz。應(yīng)變比為-1。為達(dá)到規(guī)定的應(yīng)變水平，需通過(guò)系統(tǒng)閉環(huán)控制對(duì)應(yīng)變量進(jìn)行調(diào)整，整個(gè)調(diào)整過(guò)程應(yīng)在前10個(gè)循環(huán)或失效循環(huán)數(shù)的1％（取其小者）內(nèi)完成。8.3開(kāi)始試驗(yàn)8.3.1單試樣多級(jí)循環(huán)試驗(yàn)為確定循環(huán)應(yīng)力幅-應(yīng)變幅關(guān)系，應(yīng)采用單個(gè)試樣開(kāi)展多級(jí)名義應(yīng)變水平下的循環(huán)穩(wěn)定試驗(yàn)。名義應(yīng)變幅以0.05%為增量，從0.1%至0.5%逐級(jí)循環(huán)加載，每級(jí)名義應(yīng)變幅水平循環(huán)加載若干循環(huán)次數(shù)至試驗(yàn)力穩(wěn)定。8.3.2疲勞試驗(yàn)采用多個(gè)試樣開(kāi)展疲勞試驗(yàn)。選取4~6級(jí)名義應(yīng)變水平，每級(jí)應(yīng)變水平至少2個(gè)有效試樣。若要求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，則應(yīng)按試驗(yàn)?zāi)康拇_定試樣數(shù)量。推薦首次試驗(yàn)選取應(yīng)變水平為0.3%~0.5%，其他應(yīng)變水平應(yīng)以0.05%~0.1%為變化值，應(yīng)變水平的設(shè)定應(yīng)盡可能使材料疲勞壽命介于500~20000循環(huán)次數(shù)。8.4試驗(yàn)記錄試驗(yàn)期間，應(yīng)定時(shí)采集試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)力、應(yīng)變和循環(huán)次數(shù)等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集頻率應(yīng)能連續(xù)描述力-位移遲滯回線(xiàn)。建議每個(gè)循環(huán)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)不少于100個(gè)。8.5失效判定失效循環(huán)次數(shù)Nf可由符合下述失效判據(jù)之一對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)定義：a）試樣漏斗根部出現(xiàn)明顯裂紋；b）最大拉伸力相對(duì)于循環(huán)穩(wěn)定時(shí)的水平降低x%。推薦x的值為10。9GB/Txxx—XXXX圖6循環(huán)軟化或硬化材料基于力值的失效判定條件8.6試驗(yàn)有效性判定疲勞裂紋出現(xiàn)在試樣漏斗根部，或按照8.5b）的規(guī)定判定為正常失效，則試驗(yàn)結(jié)果有效，否則無(wú)效。因初始缺陷或引伸計(jì)磨痕而導(dǎo)致試樣過(guò)早失效，則試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。由于對(duì)中問(wèn)題導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中試樣異常彎曲，則試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。其他情況導(dǎo)致的試驗(yàn)異常終止，則試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。9數(shù)據(jù)處理9.1力幅-位移幅曲線(xiàn)的確定根據(jù)單級(jí)控制應(yīng)變水平穩(wěn)定循環(huán)下的力-控制應(yīng)變數(shù)據(jù)確定力-位移曲線(xiàn)。循環(huán)力幅Fa和位移幅da由式（1）確定：l0……力幅-位移幅曲線(xiàn)可由單試樣的各級(jí)循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。9.2循環(huán)應(yīng)力幅-應(yīng)變幅關(guān)系的確定在da,p/R∈[0.1(da,p/R)max,(da,p/R)max]范圍內(nèi)，按式（2）進(jìn)行冪律擬合確定Ca和ma。F=Cad……（2）式中：Ca――力幅-塑性位移幅系數(shù)；ma――力幅-塑性位移幅指數(shù)。GB/Txxx—xxxx塑形位移da,p幅由式（3）確定：-da,e……在確定參數(shù)Ca和ma后，由式（4）計(jì)算na和Ka：……式中：kp1、kp2和mp――常數(shù)，見(jiàn)表2。表2參數(shù)值mpkp1kp20.74940.30320.5851被測(cè)材料的循環(huán)應(yīng)力幅-應(yīng)變幅關(guān)系由式（5）確定：……9.3試樣根部應(yīng)變幅與應(yīng)力幅的確定根據(jù)疲勞試驗(yàn)中每個(gè)試樣Nf/2時(shí)的力-名義應(yīng)變數(shù)據(jù)，由式（1）確定力幅Fa和位移幅da，再由式（3）確定位移幅塑性分量da,p，進(jìn)而由式（6）確定試樣漏斗根部等效應(yīng)變幅εa。kp2……式中：c1~c5――常數(shù)，見(jiàn)表3。表3參數(shù)值c0c1c2c3c4c53.6440-1.71750.3356-1.49101.49507.2550GB/Txxx—XXXX當(dāng)確定每個(gè)試樣漏斗根部等效應(yīng)變幅εa后，可由式（5）通過(guò)迭代法求解試樣漏斗根部等效應(yīng)力幅σa。附錄B給出了推薦的迭代方法。9.4應(yīng)變-疲勞壽命關(guān)系的確定由式（7）確定試樣根部等效應(yīng)變幅的彈性分量εa,e和塑性分量εa,p：……失效的循環(huán)數(shù)Nf由8.5給出。由式（8）擬合確定Manson-Coffin律參數(shù)：b……10試驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)報(bào)告一般應(yīng)包括以下內(nèi)容：a)本標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)；b)材料的名稱(chēng)、牌號(hào)、生產(chǎn)廠(chǎng)、爐批、規(guī)格、化學(xué)成分、熱處理工藝及常規(guī)力學(xué)性能；c)取樣部位、試樣形狀、尺寸、表面狀態(tài)和試樣標(biāo)識(shí)；d)試驗(yàn)設(shè)備信息；e)試驗(yàn)條件，包括試驗(yàn)溫度及控制方法、環(huán)境介質(zhì)、試驗(yàn)頻率、波形、加載比；f)試驗(yàn)過(guò)程中不符合本標(biāo)準(zhǔn)的任何情況或其他異常情況；g)試驗(yàn)結(jié)果：1）多級(jí)循環(huán)加載滯回曲線(xiàn)及力幅-位移幅曲線(xiàn)；2）循環(huán)應(yīng)力幅-應(yīng)變幅曲線(xiàn)關(guān)系的分析結(jié)果，包括循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)和循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)；3）每個(gè)試樣的名義應(yīng)變水平εn及其到達(dá)失效的循環(huán)數(shù)Nf，以及確定失效的標(biāo)準(zhǔn)；4）等效應(yīng)變幅-疲勞壽命曲線(xiàn)分析結(jié)果，包括疲勞強(qiáng)度指數(shù)、疲勞延性指數(shù)、疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞延性系數(shù)；5）試驗(yàn)日期，試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析和校對(duì)人員。GB/Txxx—xxxx（資料性）推薦試樣及夾具推薦的漏斗形板狀試樣尺寸如圖A.1所示，對(duì)應(yīng)的推薦試驗(yàn)夾