金屬材料 板狀、棒狀微型試樣 第1部分：疲勞試驗方法 征求意見稿

1GB/Txxx—XXXX金屬材料板狀、棒狀微型試樣第1部分：疲勞試驗方法本文件規(guī)定了金屬材料漏斗形板狀試樣低周疲勞試驗方法的術(shù)語和定義、符號、試驗原理、試樣、設(shè)備、試驗程序、數(shù)據(jù)處理和試驗報告等。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。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/T10623金屬材料力學(xué)性能試驗術(shù)語GB/T12160金屬材料單軸試驗用引伸計系統(tǒng)的標(biāo)定（GB/T12160-2019，ISO9513:2012，IDT）GB/T16825.1靜力單軸試驗機的檢驗第1部分：拉力和(或)壓力試驗機測力系統(tǒng)的檢驗與校準(zhǔn)(GB/T16826.1—2008，ISO7500-1：2004，IDT)GB/T25917.1單軸疲勞試驗系統(tǒng)第1部分：動態(tài)力校準(zhǔn)（GB/T25917.1-2019，ISO4965-1：2012，IDT）JJG556軸向加力疲勞試驗機檢定規(guī)程3術(shù)語和定義GB/T10623界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1力-位移遲滯回線force-displacementhysteresisloop試驗記錄的一次循環(huán)中的力與引伸計標(biāo)距段位移的關(guān)系曲線2GB/Txxx—xxxx圖1典型的力-位移遲滯回線3.2力幅-位移幅曲線force-displacementamplitudecurve試樣的力幅和引伸計標(biāo)距段位移幅的關(guān)系曲線。3.3卸載剛度unloadingstiffnessS試樣首次卸載段的力-位移曲線斜率的卸載力-位移曲線如圖2所示。圖2典型的卸載力-位移曲線4符號和說明本文件使用的符號及其名稱、單位和說明見表1。表1符號和說明符號單位說明b—疲勞強度指數(shù)c—疲勞延性指數(shù)Dmm試樣夾持端圓孔直徑3GB/Txxx—XXXX表1符號和說明（續(xù)）符號單位說明dmm引伸計標(biāo)距段位移damm引伸計標(biāo)距段位移幅da,emm引伸計標(biāo)距段位移幅的彈性分量da,pmm引伸計標(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)強度系數(shù)Lmm試樣長度L0mm試樣工作段長度L1mm試樣夾持端孔距mm引伸計標(biāo)距Nf周達(dá)到失效時的循環(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引伸計標(biāo)距段軸向名義應(yīng)變，εn=(d-l0)/l0εn,amm/mm引伸計標(biāo)距段軸向名義應(yīng)變幅，εn,a=(εn,max-εn,min)/2εn,maxmm/mm引伸計標(biāo)距段軸向最大名義應(yīng)變εn,minmm/mm引伸計標(biāo)距段軸向最小名義應(yīng)變σaMPa等效應(yīng)力幅'σf—疲勞強度系數(shù)4GB/Txxx—xxxx5試驗原理通過單試樣多級循環(huán)試驗得到力幅-位移幅關(guān)系曲線，確定材料循環(huán)強度系數(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。通過不同級應(yīng)變水平（名義應(yīng)變幅）的疲勞試驗得到名義應(yīng)變幅-壽命曲線；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)系計算得到各級名義應(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)面的引伸計的穩(wěn)定性。試樣工作段長度L0根據(jù)引伸計標(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，標(biāo)距段長度L0應(yīng)不超過1.5w。推薦試樣幾何尺寸范圍及公差見表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試樣工作段長度L0L0=l0+2mm過渡圓弧半徑r2R≤r≤3R試樣長度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試驗結(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漏斗根部進(jìn)行縱向拋光。試驗材料若需熱處理后試驗，應(yīng)先對材料進(jìn)行熱處理再加工成試樣。若熱處理后材料硬度過高，難于機加工，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)對試樣進(jìn)行編號，且編號應(yīng)具有唯一性?？捎萌魏螛?biāo)記方法對試樣進(jìn)行標(biāo)記，但標(biāo)記不應(yīng)在加工過程中被消除，且標(biāo)記應(yīng)不影響試驗結(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別出來。6.2.3尺寸檢查應(yīng)對試樣的尺寸進(jìn)行檢查，采用的檢查方法應(yīng)不改變試樣的表面條件。6.2.4儲存試樣制備好后，應(yīng)及時清洗并妥善儲存，以防試樣變形、表面損傷或腐蝕。應(yīng)盡可能避免運輸過程中對試樣造成的損傷。7試驗裝置7.1試驗機試驗機應(yīng)能按照指定的波形進(jìn)行應(yīng)變控制并測量試驗力，且當(dāng)試驗力過零時試樣不發(fā)生過沖。試驗機應(yīng)有足夠的剛性和對中性。6GB/Txxx—xxxx7.2力傳感器力傳感器的量程應(yīng)足夠覆蓋試驗時的力值變化范圍，且測量準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于1級。7.3二次夾具本文件所推薦的漏斗形板狀試樣無法用試驗機夾具直接夾持，需采用二次夾具實現(xiàn)試樣與試驗機的連接。二次夾具應(yīng)能夠?qū)⒃囼灹ζ椒€(wěn)傳遞至試樣縱軸線上，且應(yīng)滿足7.6.2的對中性要求。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引伸計應(yīng)采用軸向引伸計測量試樣一側(cè)引伸計標(biāo)距段（l0）的名義應(yīng)變。引伸計應(yīng)適合長期測量動態(tài)應(yīng)變并最大限度的降低信號漂移、滑動和機械滯后。引伸計測量準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于1級。按圖5所示方式安裝引伸計，安裝后的引伸計應(yīng)確保不發(fā)生相對滑動。7GB/Txxx—XXXX圖5引伸計安裝示意圖7.5數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)應(yīng)能記錄并采集試驗過程中的時間、試驗力、應(yīng)變和循環(huán)次數(shù)等信息。7.6設(shè)備檢驗7.6.1檢查和校準(zhǔn)應(yīng)定期對試驗機及其測控系統(tǒng)進(jìn)行檢查和校準(zhǔn)。應(yīng)按照GB/T16825.1、GB/T25917.1及JJG556對試驗力測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。應(yīng)按照GB/T12160對引伸計進(jìn)行校準(zhǔn)。7.6.2對中性檢查從制備好的試樣中任選一個試樣進(jìn)行試驗前對中性檢查。對該試樣進(jìn)行彈性加載，測量其一側(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，將引伸計安裝到試樣的另一側(cè)，再次對試樣等載荷加載，測量試樣另一側(cè)的名義應(yīng)變。前后兩次測得的試樣兩側(cè)名義應(yīng)變的相對誤差應(yīng)不超過5%。若超過此限值，應(yīng)檢查并調(diào)整試驗機、夾具和試樣，確保整個加載鏈系統(tǒng)滿足對中性要求。8試驗程序8.1試驗環(huán)境試驗環(huán)境應(yīng)符合以下條件：——恒定的室溫及相對濕度；——最小限度的大氣污染（如灰塵、化學(xué)蒸汽等）；——沒有能夠影響試驗機控制和數(shù)據(jù)采集的外部電信號干擾；——最小限度的外部機械振動。8GB/Txxx—xxxx8.2試驗控制試驗應(yīng)采用應(yīng)變控制方式對試樣進(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。整個試驗過程中應(yīng)變峰值控制誤差在1%以內(nèi)。應(yīng)變控制波形在試驗過程中應(yīng)保持穩(wěn)定，推薦使用三角波。試驗頻率應(yīng)使試樣漏斗根部溫度改變不超過2℃。推薦試驗頻率：0.01Hz～lHz。應(yīng)變比為-1。為達(dá)到規(guī)定的應(yīng)變水平，需通過系統(tǒng)閉環(huán)控制對應(yīng)變量進(jìn)行調(diào)整，整個調(diào)整過程應(yīng)在前10個循環(huán)或失效循環(huán)數(shù)的1％（取其小者）內(nèi)完成。8.3開始試驗8.3.1單試樣多級循環(huán)試驗為確定循環(huán)應(yīng)力幅-應(yīng)變幅關(guān)系，應(yīng)采用單個試樣開展多級名義應(yīng)變水平下的循環(huán)穩(wěn)定試驗。名義應(yīng)變幅以0.05%為增量，從0.1%至0.5%逐級循環(huán)加載，每級名義應(yīng)變幅水平循環(huán)加載若干循環(huán)次數(shù)至試驗力穩(wěn)定。8.3.2疲勞試驗采用多個試樣開展疲勞試驗。選取4~6級名義應(yīng)變水平，每級應(yīng)變水平至少2個有效試樣。若要求進(jìn)行統(tǒng)計分析時，則應(yīng)按試驗?zāi)康拇_定試樣數(shù)量。推薦首次試驗選取應(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試驗記錄試驗期間，應(yīng)定時采集試驗時間、試驗力、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。建議每個循環(huán)采集的數(shù)據(jù)點不少于100個。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）最大拉伸力相對于循環(huán)穩(wěn)定時的水平降低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，則試驗結(jié)果有效，否則無效。因初始缺陷或引伸計磨痕而導(dǎo)致試樣過早失效，則試驗結(jié)果無效。由于對中問題導(dǎo)致試驗過程中試樣異常彎曲，則試驗結(jié)果無效。其他情況導(dǎo)致的試驗異常終止，則試驗結(jié)果無效。9數(shù)據(jù)處理9.1力幅-位移幅曲線的確定根據(jù)單級控制應(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。循環(huán)力幅Fa和位移幅da由式（1）確定：l0……力幅-位移幅曲線可由單試樣的各級循環(huán)試驗數(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）計算na和Ka：……式中：kp1、kp2和mp――常數(shù)，見表2。表2參數(shù)值mpkp1kp20.74940.30320.5851被測材料的循環(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)疲勞試驗中每個試樣Nf/2時的力-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)確定每個試樣漏斗根部等效應(yīng)變幅εa后，可由式（5）通過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試驗報告試驗報告一般應(yīng)包括以下內(nèi)容：a)本標(biāo)準(zhǔn)編號；b)材料的名稱、牌號、生產(chǎn)廠、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；d)試驗設(shè)備信息；e)試驗條件，包括試驗溫度及控制方法、環(huán)境介質(zhì)、試驗頻率、波形、加載比；f)試驗過程中不符合本標(biāo)準(zhǔn)的任何情況或其他異常情況；g)試驗結(jié)果：1）多級循環(huán)加載滯回曲線及力幅-位移幅曲線；2）循環(huán)應(yīng)力幅-應(yīng)變幅曲線關(guān)系的分析結(jié)果，包括循環(huán)強度系數(shù)和循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)；3）每個試樣的名義應(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-疲勞壽命曲線分析結(jié)果，包括疲勞強度指數(shù)、疲勞延性指數(shù)、疲勞強度系數(shù)和疲勞延性系數(shù)；5）試驗日期，試驗、數(shù)據(jù)分析和校對人員。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，對應(yīng)的推薦試驗夾