合金钢材料圆棒试样疲劳强度尺寸效应试验研究大纲

1、合金钢材料圆棒试样疲劳强度尺寸效应试验大纲编号：002 上海航空材料结构检测股份有限公司Shanghai Aeronautical Materials & Structures Testing Co.,LTD2015年11月在此处键入合金钢材料圆棒试样疲劳强度尺寸效应试验大纲签字页总份数：4发送单位及份数（含发文单位）：发送：东北大学 2份保存：上海航空材料结构检测股份有限公司 2份上海航空材料结构检测股份有限公司批 准：质 量：组 长：校 对：编 写：编号：002版次：上海航空材料结构检测股份有限公司技术报告，未经批准，不得复制合金钢材料圆棒试样疲劳强度尺寸效应试验大纲目 录目 录1

2、1 试验依据12 试验目的13 试验内容与要求13.1 试验内容13.2 试验要求14 试验实施方案24.1 试验标准24.2 试样形式24.3 试验测试系统与设备54.4 试验过程55 试验数据处理与表达65.1 成组法疲劳试验数据处理65.2 疲劳S-N曲线拟合75.3 疲劳试验数据表95.4 疲劳S-N曲线的绘制96 安全保护措施96.1 现场安全保护措施96.2 设备系统安全保护措施97 质量与可靠性保障107.1 疲试验关键过程识别与控制107.2 合格（有效）性判定准则118 技术研究报告119 进度安排11附录A 试验记录表12合金钢材料圆棒试样疲劳强度尺寸效应试验大纲111 试

3、验依据本试验项目任务来源和大纲编写的依据为合金钢材料圆棒试样疲劳强度尺寸效应试验技术服务合同书。2 试验目的试验测定室温空气环境、不同应力水平下两种材料的三种不同尺寸（标距段直径分别为8mm、16mm和24mm）的合金钢材料光滑圆棒试样和两种不同尺寸（标距段直径分别为16mm和24mm）的合金钢材料缺口圆棒试样的恒幅载荷疲劳寿命，在此基础上，绘制不同试样的疲劳S-N曲线。3 试验内容与要求3.1 试验内容l 室温空气环境下合金钢材料光滑圆棒试样横幅载荷疲劳S-N曲线测定加载波形为正弦波，加载频率f = 20 Hz，加载应力比R = -1，3组（中值对数疲劳寿命分别为5.0´104、3

4、.0´105、5.0´105）应力水平至少15个有效数据，最高寿命不超过1.0×106。2种材料每种材料3种试样（标距段直径分别为8mm、16mm和24mm），共计6条疲劳S-N曲线（共计108件试样）。l 室温空气环境下合金钢材料缺口圆棒试样横幅载荷疲劳S-N曲线测定加载波形为正弦波，加载频率f = 20 Hz，加载应力比R = -1，3组（中值对数疲劳寿命分别为5.0´104、3.0´105、5.0´105）应力水平至少15个有效数据，最高寿命不超过1.0×106。2种材料每种材料2种试样（标距段直径分别为16mm和24

5、mm），共计4条疲劳S-N曲线（共计72件试样）。3.2 试验要求试验操作人员经严格的专业技能培训（主要包括质量管理体系知识培训、试验测试设备基本操作培训、试验操作规范和试验纪律培训、试验安全培训等培训内容），取得上岗资质后方可进行试验操作；疲劳试验机经国家法定计量部门检定合格，满足试验测量精度要求，且在有效期内，并处于正常工作状态。检查和测量试验环境、试样尺寸，编号并进行记录；试验时，随机地选取试件；在试验过程中，严格按照标准试验方法的要求控制试验条件，严格遵守操作规程，以保证获得的试验数据的重复性；做好试验原始记录，包括试样种类、数量、试验结果及失效模式，给出必要照片。按照合同时间进度要求

6、完成各项研究工作，即受托方（乙方）在收到委托方（甲方）试样后5个月内完成所有的试验内容并交付所有原始试验数据，提交详细试验报告，交回试验用试样，并保留疲劳试样断口。4 试验实施方案4.1 试验标准按照国家标准试验方法，即GB3075-2008金属疲劳试验轴向力控制方法，试验在10吨到100吨MTS液压伺服材料疲劳试验机上进行，加载波形为正弦波，加载频率为f = 20 Hz，试验应力比R = -1；试验数据满足中值对数疲劳寿命（应力循环数）和99%可靠度和95%置信度疲劳寿命（应力循环数）要求，个别情况经与委托方（甲方）协商后可适当调整。4.2 试样形式采用如图1至图5所示的试样进行试验，试验件

7、数量和技术状态如表1和表2所示，疲劳试样取向与加载方向一致。图1 标距段直径为8mm的光滑圆棒疲劳试样图2 标距段直径为16mm的光滑圆棒疲劳试样图3 标距段直径为24mm的光滑圆棒疲劳试样图4 标距段直径为16mm的缺口圆棒疲劳试样图5 标距段直径为24mm的缺口圆棒疲劳试样表1 试样件数量和技术状态编号试样类型材料试件图试样数量1光滑圆棒试样20CrMnTiH图1182光滑圆棒试样20MnTiB图1183光滑圆棒试样20CrMnTiH图2184光滑圆棒试样20MnTiB图2185光滑圆棒试样20CrMnTiH图3186光滑圆棒试样20CrMnTiH图3187缺口圆棒试样20CrMnTiH图

8、4188缺口圆棒试样20MnTiB图4189缺口圆棒试样20CrMnTiH图51810缺口圆棒试样20MnTiB图518表2 试样尺寸光滑圆棒试样试件图试样总长度L / mm夹持段长度l / mm标距段直径d / mm加持段直径d1 / mm图120076.68（应65）816图224080.96（应72）1628图331086.77（应82.5）2448缺口圆棒试样试件图试样总长度L / mm夹持段长度l / mm无缺口处直径d / mm缺口半径r / mm图420096.8163.2图520095.2244.84.3 试验测试系统与设备5吨到100吨MTS液压伺服材料疲劳试验机测量精度如表

9、3所列，静载误差不超过±1%；动载误差不超过±3%，由国家法定计量部门检定合格，且在有效期内（见附件）。实验室定期对试验设备进行维护和检定，保证设备正常运行。表3 疲劳试验机及其它试验设备序号产品名称规格型号最大量程数量静载误差动载误差1液压伺服材料疲劳试验机MTS5吨1小于±1%小于±3%2液压伺服材料疲劳试验机MTS10吨2小于±1%小于±3%3液压伺服材料疲劳试验机MTS25吨1小于±1%小于±3%4液压伺服材料疲劳试验机MTS50吨1小于±1%小于±3%5液压伺服材料疲劳试验机MTS10

10、0吨1小于±1%小于±3%4.4 试验过程4.4.1 试验参数选择按照委托方（甲方）提供材料的强度极限b和试样的有效面积（净面积），估算试样的破坏载荷，名义应力定义为载荷除以试样最大应力处净面积。再指定疲劳载荷进行疲劳试验，采用单点法，根据疲劳寿命试验数据，调整疲劳载荷，确定S-N曲线的趋势。选择合适的疲劳寿命（中值对数疲劳寿命分别在5.0´104、3.0´105、5.0´105次循环左右）对应的载荷进行成组试验，每组试样数量根据95%置信水平由变异系数CV查表确定。监控试验载荷，使其满足试验加载要求。4.4.2试验操作步骤l 疲劳试验操作按操

11、作规程开机，并预热30分钟。运行疲劳试验程序；在试样两端对称的合适位置分别画线，方便上下左右对称夹持试验件；安装试样应仔细操作，使试样与试验机上下夹头保持同轴，尽量减少试样轴向应力以外的其它应力；按照疲劳试验机操作规程，操作试验机，并做好相关试验记录。试验完成后应立即放入干燥器中，注意保护断口形貌。4.4.3 断口处理对断口有效性进行判别，考核部位的断口视为有效断口；试验完成后，疲劳试样应立即放入干燥器中，注意保护断口形貌。4.4.4 异常情况处理试验出现以下情况之一，终止试验：（1）载荷突然升高或降低（应保持加载稳定和避免过载引起的迟滞效应）；（2）试验期间，试验设备发生故障时，应暂停试验，

12、待查明原因并排除故障后方可继续试验；（3）试样出现断裂。5 试验数据处理与表达5.1 成组法疲劳试验数据处理中值对数疲劳寿命按式(1)计算 (1)式中： 每组试验中第i个试样的疲劳寿命； 每组试验的试样个数； 具有50%存活率的疲劳寿命。疲劳寿命标准差按式(2)计算 (2)变异系数按式(3)计算 (3)5.2 疲劳S-N曲线拟合疲劳S-N曲线由测定出的中值疲劳寿命和疲劳极限拟合而成，目前描述材料疲劳S-N曲线常用线性模型和非线性模型，两种模型的表达式为线性模型： (4) (5)非线性模型 (6) (7)式中：， 材料在一定应力集中系数和应力比（或平均应力）下的S-N曲线形状常数； 材料一定应力

13、集中系数和应力比（或平均应力）下的疲劳极限。对于非线性模型，令，（或），则式(6)（或式(7)）可写成 (8)按最小二乘法可得S-N曲线的形状参数及其与试验数据的相关系数 (9) (10) (11)式中 (12)以上各式中、和均与有关，是的函数，则、和也是的函数，且所求必须使相关系数绝对值取最大值，因此可由以下条件求得： 或 因为，所以有 (13)令 (14) (15)将式(14)和(15)代入式(13)，则 (16)设 (17)设为的预估值，则当时，；而当时，。又因为必位于区间内，为数据点应力的最小值，所以可以很容易地用二分法求得。求得、和后，通过式(9)和式(10)可求出和。按上述数据处理

14、方法，处理试验数据得到S-N曲线。5.3 疲劳试验数据表试验数据表包含以下信息：（1）试验主要参数（载荷类型、大小、频率、应力比等）；（2）试验环境条件（温度、相对湿度和介质等）；（3）发现光滑试样是否出现屈服变形；（4）断裂形貌的简明描述；（5）试验中的异常情况及其原因。5.4 疲劳S-N曲线的绘制将相同类型不同标距段直径试样的疲劳试验数据和拟合曲线绘制在同一幅疲劳S-N曲线图上。图中应力纵轴采用线性坐标，疲劳寿命横轴采用对数坐标，图线坐标形式如图6所示。图6 疲劳S-N曲线坐标形式6 安全保护措施6.1 现场安全保护措施为防止试验件和加载设备意外损伤伤人，试验现场设立安全区，设置安全防护隔

15、离屏， 50%极限载荷后参试人员全部撤离到安全区域。6.2 设备系统安全保护措施试验采用的加载控制系统具有完善的安全保护措施，试验前应设置好各种保护值，以确保试验件不发生非正常破坏。如出现故障，按本实验室规定程序处理，并填写故障纠正/预防措施处理单。l 超限保护试验控制系统具有超限保护功能，包括定力限和定力衰减率限。定力限设为力传感器的满量程，当载荷达到此限时，试验自动停止。定力衰减率限设为40%，当超过此限时，试验自动停止。l 限位保护设置移动横梁的限位装置，将下限位块设定在刚好低于开始的位置，上限位块设定在拉伸方向上刚好超过期望的最大行程的位置，当移动横梁接触到上限位块或下限位块时，移动横

16、梁都会停止运动，试验系统报警，终止试验。l 应急按钮试验现场安放应急停止按钮，出现紧急情况，由现场指挥按下试验机上的红色“紧急停止”按钮，终止试验，并拔出电源插头，断开测试系统的电源。7 质量与可靠性保障7.1 疲试验关键过程识别与控制疲试验关键过程识别与控制见表4。表4 疲劳试验关键过程控制明细表序号关键过程控制点控制要求质量影响程度监控方式及实施步骤责任人3试验夹头或夹具试验中监控试样夹紧状况影响试验结果试验夹具充分考虑材料强度与试样形式，具有装卸简便、使用寿命长，静强度、疲劳强度均有较大安全余量4试样同轴度监控试验中监控试验载荷同轴度影响试验结果严格按照标准试验方法的要求安装试验件，严格

17、遵守操作规程，保证试验夹具、试件和加载方向的同轴度5试验过程载荷监控试验中对试验载荷进行监控影响试验结果试验前控制系统设置载荷极限，试验中实时监控载荷，定期检查试验异常情况，保证试验载荷在允许的误差范围内7.2 合格（有效）性判定准则l 满足下列所有条件的疲劳试验数据视为有效：试样经疲劳试验后发生断裂；试样断口发生在合理断裂部位。8 技术研究报告试验结束后，按合金钢材料圆棒试样疲劳强度尺寸效应试验技术服务合同书相关要求编写试验报告。包括一下信息：（1）试验标准编号；（2）试样的材料特性、尺寸特征、加工工艺、表面状态及热处理；（3）实际试验试样数量及其确定原则；（4）每个试样的实测尺寸、载荷状态、应力条件、加载频率、疲劳寿命、试验机型号及参数、试验环境、实验室温湿度、全套试验数据原始记录、试验结束判据、失效模式、断口特征以及特殊现象；（5）试验测定的S-N曲线及其表达式；（6）合金钢材料圆棒试样疲劳强度尺寸效应试验研究报告。9 进度安排2015.11，制定研究方案，提交试验研究大纲；201