金属材料 疲劳试验 轴向平面弯曲方法 征求意见稿

1GB/TXXXX-XXXX金属材料疲劳试验轴向平面弯曲方法本文件规定了室温（10℃至35℃之间）下金属材料试样（未故意引入应力集中）轴向等幅力或位移控制平面弯曲疲劳试验的条件。本文件不包括反向/部分加载试验。试验的目的是提供相关结果，如在不同应力比、给定材料条件（如硬度和微观结构）下，施加应力与失效循环次数之间的关系。本文件适用于矩形和斜切横截面试样的轴向平面弯曲疲劳试验，产品构件和其他特殊形状试样的检测不包括在内。由于缺口试样的形状和尺寸没有标准化，因此本文件不包含缺口试样的疲劳试验。但是，本文件中描述的疲劳试验过程可应用于检测附录A中缺口试样的疲劳试验。疲劳试验的结果可能受大气条件的影响，因此要求按照ISO554:1976标准的2.1控制要求的试验条件。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T16825.1金属材料静力单轴试验机的检验与校准第1部分：拉力和（或）压力试验机测力系统的检验与校准（GB/T16825.1-2022，ISO7500-1:2018，IDT）JJG475电子式万能试验机JJG556轴向加力疲劳试验机检定规程3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1测试横截面厚度thicknessoftestsectionδ矩形横截面试样或试件的厚度（见图1）。3.2测试横截面宽度widthoftestsectionw矩形横截面试样或试件的宽度（见图1）。标引符号说明：2GB/TXXXX-XXXXLz——试样长度；w——试样宽度；δ——试样厚度；rc——圆角半径。图1矩形截面试样几何尺寸3.3试样长度specimenlengthLz试样的总长度。3.4试样横截面积specimencross-sectionS试样横截面的面积。3.5圆角半径cornerradiusrc矩形横截面试样圆角处的半径。3.6内辊加载点之间的距离distancebetweeninnerloadingpointsd1两个内辊轴线之间的距离（见图2）。标引序号和符号说明：1——测试面；d1——内辊加载点间距；d2——外辊加载点间距；F——应力。图2测试装置示意图3.7外辊加载点之间的距离distancebetweenouterloadingpointsd2GB/TXXXX-XXXX两个外辊轴线之间的距离（见图2）。3.8辊径rollerdiameterDR四个辊的直径。3.9应力循环stresscycle应力随时间周期性的等幅变化（见图3）。标引序号和符号说明：X——时间；Y——应力或载荷；1——单个应力循环；2——最大应力，σmax；3——平均应力，σm；4——最小应力，σmin；5——应力幅，σa；6——应力范围，△σ。图3应力或载荷疲劳循环3.10最大应力maximumstressσmax在应力循环中具有最大代数值的应力（见图3）。3.11平均应力meanstressσm最大应力和最小应力代数和的一半（见图3）。3.12最小应力minimumstressσmin一个应力循环内具有最小代数值的应力（见图3）。3.13应力幅stressamplitudeσa最大应力和最小应力代数差的一半（见图3）。4GB/TXXXX-XXXXσa=Δσ/23.14应力范围stressrangeΔσ最大应力和最小应力的代数差（见图3）。Δσ=σ-3.15应力比stressratioRσ在疲劳试验中任一个单循环的最小应力和最大应力比值（见图4）。Rσ=σmin/σmax图4应力或载荷循环类型3.16载荷比loadratioRF在疲劳试验中任一个单循环的最小载荷和最大载荷比值（见图4）。3.17循环次数numberofcyclesN力-时间、应力-时间、应变-时间等周期性重复函数的最小循环次数。3.18疲劳寿命fatiguelifeNf按规定的失效准则试验时达到的循环数。3.19施加的力appliedforceF试验时施加的力（用于力控试验）。3.20弯矩bendingmomentMGB/TXXXX-XXXX内辊之间的恒定力矩，通过施加的力和辊间距离(d1和d2)计算。4符号和说明4.1与试样几何尺寸相关的符号本文件使用的与试样几何尺寸相关的符号、名称和单位见表1。表1与试样形状相关的符号、名称和单位符号名称单位δ测试横截面厚度mmδ1斜切截面试样缩减后的厚度mmw测试横截面宽度mmw1斜切截面试样缩减后的宽度mmLz试样长度mmI截面面积平方mm4dnba与中心弯曲轴的最大距离mmS试样横截面积mm2rc圆角半径mm4.2与试验仪器相关的符号本文件使用的与试验仪器相关的符号、名称和单位见表2。表2试验仪器相关符号、名称和单位符号名称单位d1内辊加载点之间的距离mmd2外辊加载点之间的距离mmDR辊径mm4.3与疲劳试验相关的符号本文件使用的与疲劳试验相关的符号、名称和单位见表3。表3疲劳试验相关符号、名称和单位符号名称单位βhi载荷i对应的应力均匀性σmax最大应力MPaσm平均应力MPaσmin最小应力MPaσa应力幅MPaΔσ应力范围MPa6GB/TXXXX-XXXXσ测试应力MPaRσ应力比RF载荷比N循环次数次Nf疲劳寿命次F施加的力NM弯矩N-m5原理试验的原理是将试样放置在如图2所示的四个支辊之间。然后施加一个等幅循环力，从而使试样的被测试面受到等幅的拉应力。试验一直持续到试样失效或者直到达到一个预先设定的应力循环次数。将公称尺寸相同的试样装夹在疲劳试验机上，并对试样施加载荷以引入平面弯曲循环应力。可以使用图4所示的任一种类型的循环应力。试验波形宜为等幅的正弦曲线。6试验计划在开始试验之前，除非在相关的产品标准中另有规定，供需双方应在以下方面达成一致：a）试样的形状（见7.1）；b）应力比；c）要求确定下列测试目标：—规定应力幅下的疲劳寿命；—规定循环次数内的疲劳强度；—整条S-N曲线；d）被检测试样号和试验顺序；e）试验中未失效试样应终止试验时的循环次数。7.1试样的形状通常采用经过完全机械加工且具有均匀厚度矩形截面试验部位的试样。为了避免裂纹从拐角处萌生，可以在每个拐角上加工一个圆角（见图1）或者使用斜切截面试样（见图5）。当要求考虑材料在实际应用时的表面条件时，应保证具有最大应力的表面为未加工状态。标引符号说明：Lz——试样长度；w——试样宽度；δ——试样厚度；w1——测试截面宽度（见3.2）；7GB/TXXXX-XXXXδ1——斜切截面试样减小后的厚度。图5斜切截面试样几何尺寸7.2试样的尺寸为了使剪应力对弯曲应力的影响（低于5%，以VonMises等效应力表示）最小，试样厚度与内外辊受力点间距的比值应满足式（1）：＜0.5（1）由于试样的弯曲，当施加载荷时，试样上辊接触点之间的距离发生变化。与第9章中计算的值相比，这种变化会影响试样中的应力水平。计算应力σcal与实际应力σreal之间的误差与辊径成正比，可以使用式（2）近似。该误差应低于5%。其中在试验过程中夹具的最大位移∆r可用式（3）确定：其中E为测试样品材料的杨氏模量7.3试样的制备7.3.1一般要求在任何一个旨在表征材料固有特性的疲劳试验程序中，按照以下建议进行试样的制备是非常重要的。如果试验的目的是为了确定与这些建议不相符的特定因素（如表面处理，氧化等）的影响，则允许有一些偏离。在任何情况下，这些偏离均应在试验报告中加以注明。试样的表面状态对试验结果有影响。这类影响一般都和以下一个或者多个因素相关：—试样的表面粗糙度；—残余应力的存在；—材料微观结构的改变；—杂质的引入。7.3.2.1、7.3.2.2和7.3.2.3中给出的建议将这些因素的影响减至最小。7.3.2机加工程序7.3.2.1一般要求选择的加工流程可能会在试样表面产生残余应力，从而影响试验结果。这些残余应力可能是在机加工阶段的热梯度或材料的变形或微观结构的变化引起的。在高应力水平下试验时，产生的残余应力可能部分或者全部释放，因此残余应力的影响很小。然而，选择合适的机加工流程（特别是在最后的抛光阶段前）会减小残余应力。例如，建议使用X射线衍射技术检查此类表面残余应力。表面粗糙度通常采用平均粗糙度或者类似的参量（如十点平均粗糙度或最大不平高度）进行量化。规定表面粗糙度宜小于Ra0.2µm（或其他参量的等效数值）。由于疲劳寿命更依赖于局部粗糙度，轮廓的最大高度提供了表面粗糙度的附加信息，因此应进行测量和报告。另一个不同于平均粗糙度的重要参量是存在于局部的机械划痕。宜在最终磨削之后对试样进行纵向机械抛光。在低倍（约20倍）下检查试样，标距内不应显示任何横向划痕。建议抛光前进行纵向磨削而不是刀具操作（铣削）。8GB/TXXXX-XXXX如果试样在粗加工后要进行热处理，最好在热处理后进行最终的抛光处理。否则热处理宜在真空或惰性气体中进行，以防止试样氧化。热处理不应改变所研究材料的微观结构特性。热处理及机加工程序的细节应与试验结果一起报告。为了避免毛边角过早产生裂纹，建议通过抛光以形成圆角或加工成给定半径的圆角。7.3.2.2材料微观结构的改变这种现象可能是由温度升高和/或由机加工或磨削导致的应变硬化引起的。它可以是组织中相的改变，更多的情况是试样表面发生再结晶。由于试验的材料不再是初始状态，上述微观结构的改变将直接导致试验结果无效。因此，宜采取一切预防措施以避免这种风险。7.3.2.3杂质的引入某些元素和化合物的存在会使特定材料的力学性能下降，例如氯对钢和钛合金的影响。因此，在使用的产品（切削液等）中宜避免包含这些元素。建议在存储试样前进行冲洗和脱脂处理。7.3.3取样及标记从半成品或者构件的试验材料上的取样方式可能会对试验过程中所获得的结果产生重大影响。因此取样时有必要了解取样部位的全部信息。如有必要，在试验报告中附上取样图，并宜清晰地标明：—每个试样的取样位置；—半成品的特征方向（如轧制方向、挤压方向等—每个试样的标记/标识符。试样在其制备的每个不同阶段都应有一个标记/标识符。这个标记/标识符可以采用任何可靠的方法标记在机加工过程中不容易丢失或者不影响试验质量的区域。试验前，应在试样的每一端进行标识。7.3.4尺寸检查应在最终机加工阶段完成后，采用不改变疲劳试验结果的计量方法对试样进行尺寸测量。7.3.5保存和运输制备好的试样应妥善保存，以防止任何损伤（接触划痕或氧化等）。建议采用独立的盒子保存试样。在某些情况下，应将试样存放在真空瓶或者放有硅胶的干燥器中。应尽量减少试样的运输。应特别注意避免任何痕迹或划痕。8试验装置8.1试验机8.1.1概述试验应在能平稳启动的拉压试验机上进行。对于负载荷比，试验过零时要求平滑稳定。试验机应有较好的侧向刚度和同轴度。应定期检查试验机及其控制和测量系统。具体来说，每个传感器和相关电子设备应始终作为一个单元进行检查。8.1.2力传感器力传感器应具有侧向和轴向刚度。它的量程和等级应适合试验时施加的力。它应能达到疲劳额定值，并适用于试验期间施加的力。在自动化系统中计算机输出设备上显示并记录的力，或者在其他非自动化系统中最终的输出力应该在规定的真实力的允许变化范围内。力测量装置的量程应该足以覆盖试验力值的范围，并且准确度应优于1%。力传感器应能够进行温度补偿并且没有大的零漂，温度灵敏度变化每摄氏度不大于满量程的0.002%。试验机测力系统应按照GB/T16825.1或JJG556进行静态校准，其准确度应为1级或优于1级。应确保增量动态测力误差不超过所需测力范围的±1%。注1：认识由于力传感器单元和测试试样的质量引起的动态〔惯性力〕误差的重要性是非常重要的。惯性力误差等于夹持质量乘以其局部加速度。表示为力范围百分数的惯性力误差，预计会随着频率的平9GB/TXXXX-XXXX方而变化，并且受到试样柔度的强烈影响。试验机〔刚体〕随基础连接的共振可能是主要的误差源。具备用于动态试验的特定力传感器单元、夹具和联轴器的试验机，以及与检测试样具有相近一致性的应变片试样或者测力仪，应在各个相关的频率范围进行动态力值测量的校准。注2：为了避免动态力误差超过力值范围的±1%，有必要建立一张误差表来修正试验机的动态力范围。（见GB/T25917.1和GB/T25917.2）8.1.3位移传感器如果在位移控制下进行试验，位移测量系统应参考JJG475的1级要求进行校准。8.1.4循环计数器试验机应配备精度达到1%的循环计数系统，并具有报错跳闸功能以便在试样失效时关闭机器。8.1.5试验监测仪器现代疲劳试验设备普遍采用计算机控制和数字化的数据采集系统。现代数字系统中提供的基本软件平台提供精确的测试控制和报告生成。通常配备此系统用于在测试数据的数字或模拟域中提供实时数字显示，以及图形和表格形式测试结果的生成和存储。在这种典型的数字系统中，力-时间数据点的采样频率应足以确保施加在试样上的峰值力的真实性。由于仍有许多模拟系统在使用，以下应视为模拟数据记录的最低要求：——力-时间记录仪；——峰间探测器。8.1.6防旋转系统为确保整个试验期间试验装置的两部分对齐，试验机应配备防旋转系统。8.2试验设备图2给出了一般示意图。夹持装置应确保试样的组装是可重复的。辊是试验台的重要部件：—其硬度应大于50HRC，以避免任何塑性变形；—其宽度应大于试样宽度；—其直径应符合第7.2条的规定；—其直径不应太小，以避免试样压痕；—其相对位置（平行）应符合应力均匀性应力要求（见第10条）。注：辊的直径通常具有相同的值。9应力计算9.1概述测试应力按式（4）和（5）计算：dnba（4）（5）9.2矩形截面试样应力计算9.2.1直角矩形截面试样（6）GB/TXXXX-XXXX9.2.2圆角矩形截面试样9.3斜切截面试样应力计算S=wδ-（10）10应力均匀性检测10.1原理应力不均匀通常是由机器不对中或系统几何缺陷导致的辊的相对位置引起的。应力均匀性应在每一系列试验之前或在力系发生变化时进行检测。建议用于测量应力均匀性的装置的几何形状和材料应尽可能接近测试试样。应将四个应变片（排列成两行两列）编号并放置在拉伸面上，如图6所示。应变片应全部匹配，即来自同一制造商的批次。建议它们的有效长度约为0.1d1或更小。标引符号说明：d1——内辊加载点间距；w——试样宽度。图6用于应力检测试样及应变片位置示意图10.2测量方法1）将应变片的引线连接到调节设备上，让系统在通电状态下至少稳定30分钟；GB/TXXXX-XXXX2）在试验系统中安装均匀性装置，使应变片和邻近辊之间的距离约为0.25d1；3）将应变片归零；4）等幅施加十个力增量直至疲劳试验的最大预期力，并记录应变片的相应读数。将力归零。10.3计算每个载荷的应力均匀性质量i由公式（13）给出。i=max（13）其中ε1、ε2、ε3、ε4是应变片的读数。（14）全局应力均匀性是10个载荷水平上应力均匀性的最大值。为了进行有意义的测量，必须在测试系统中确定试样定位的可重复性。为此，对最大载荷应力均匀性的5个测量值计算平均值和标准偏差值。为保证良好的重复性，标准偏差值不应超过平均值的5%。11试验程序11.1试验装置的安装应安装试验装置以保证辊的平行度和位置。一个简单的方法是在特定的试样上加工出与辊位置相对应的V形槽（见图7）。应避免试验装置两部分之间的旋转。图7用于辊定位的凹槽设置块11.2试样的装夹应注意确保每个测试试样在纵向和横向上对称放置。在试样安装过程中，应注意避免在被测表面上留下任何痕迹或划痕。11.3试验频率力循环的频率取决于所用试验机的类型，并且在许多情况下也取决于试样的刚度。频率的选择应适合材料、试件和试验机的特定组合。如果频率取决于试件和试验机组合的动态特性，就有必要在试验前测量试件的刚度。注1：轴向力控制疲劳试验机的一般使用频率范围大约为1Hz~100Hz。在高频率时，试样会产生较大热量，从而影响疲劳寿命和疲劳强度的试验结果。如果试样发热，建议降低试验频率。如果试样温度超过35℃,应在报告中注明。注2：如果环境影响显著，则试验结果可能依赖于频率。11.4力或位移的施加GB/TXXXX-XXXX试验程序应确保一组试样中每个试样达到目标运行条件的循环次数相同。该阶段应尽可能短，不应超过试样疲劳寿命的1%。对于力控制试验，平均力和力值范围应该保持在力值范围的±1%内。对于位移控制试验，平均位移和位移范围应该保持在位移范围的±1%以内。11.5温湿度记录试验通常在室温（10℃~35℃)下进行。在试验过程中，应记录每天的最大和最小空气温度和湿度。11.6失效判据和试验终止11.6.1失效判据除非另有协议，失效判据应该是试样断裂。在一些特殊应用中，其他的判据，例如可见的疲劳裂纹的出现、试样的塑性变形或者裂纹的扩展速率，都可以采用，但该批次的所有试样均应采用相同的判据。11.6.2试验终止当试样失效或达到预定的循环次数时，终止试验。11.7试验有效性试验结束且被测试样失效后，需要对试样进行检查，以确认试验结果的有效性。在以下情况下，应宣布试验无效且不考虑结果：—失效发生在测试区域之外（即内辊之外—裂纹萌生于横截面的拐角处。12疲劳结果的表达研究的设计和结果的使用，决定了从许多可用的、图形化的和其他方式的结果中选择最合适的方法。疲劳试验的结果通常用图形表示。在报告疲劳数据时，应明确规定试验条件。除了图形表示外，在表示格式允许的情况下，表格数字数据也是可取的。所有的细节，可参考GB/T24176-2009。13试验报告试验报告应包括以下信息（如果有）：a）本文件编号及其出版日期；b）被测材料的冶金特性，拉伸性能和试样的热处理工艺；c）试样在母材上的位置；d）试样的形状和公称尺寸；e）试样的表面状态；f）载荷或位移单元的参考；g）试验装置的参考；h）设备特性（L1，L2,D）；i）波形；j）控制参数（即力或位移k）试验频率；l）试样几何形状；m）负载比；n）失效判据。对