GB/T 43111-2023 炭素材料 疲劳试验 轴向力控制方法（正式版）

ICSCCS29.050炭素材料疲劳试验轴向力控制方法国家标准化管理委员会IGB/T43111—2023本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国钢铁工业协会提出。本文件由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC183)归口。华大学深圳国际研究生院、冶金工业信息标准研究院。1GB/T43111—2023炭素材料疲劳试验轴向力控制方法验报告。应力-寿命曲线获取。其他炭素材料可参照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，注日期的引用文本文件。GB/T1427炭素材料取样方法GB/T34104金属材料试验机加载同轴度的检验3.1在应力循环中具有最大代数值的应力。最小应力minimumstress在应力循环中具有最小代数值的应力。R。3.43.5应力循环stresscycle应力随时间周期性的等幅变化。2GB/T43111—20233.6循环次数numberofcyclesN应力-时间，应变-时间等函数的最小循环周期性重复的次数。疲劳寿命fatiguelifeN按规定的失效准则试验时达到的循环数。3.8疲劳极限fatiguelimit无限寿命下的疲劳强度。3.9U总的试验项数(n)减去估计的参数。3.103.11疲劳寿命之间关系的曲线。4原理5仪器设备5.1疲劳试验机：力传感器精度优于0.5%,试验力应在传感器量程的10%～90%之间，夹具应能固定5.2干燥箱：具有自动调温装置，能保持温度在105℃~110℃。6试样按GB/T1427的规定进行。3GB/T43111—20236.2尺寸通常采用圆形或矩形试样，推荐采用圆形试样，试样示意图见图1。标引符号说明：A———测量部分圆柱表面。图试样尺寸要求及推荐试样尺寸，见表1。表圆形试样试样尺寸参数符号尺寸要求推荐尺寸试样长度L圆柱形测量部分直径d6.35mm±0.02mm圆柱形测量部分长度20mm±0.05mm过渡弧1r25mm±0.05mm过渡弧2R夹持端直径过渡端直径D₂同轴度◎垂直度L粗糙度在满足7.3.2装夹要求前提下，试样长度L可适当减少。7试验步骤7.1试样前处理将试样放入105℃~110℃干燥箱内烘2h取出，存储在干燥器内，冷却至室温备用。7.2试样尺寸测量用千分尺对试样圆柱形测量部分的两端及中间共3处位置测量试样直径，每处直径为该处两个相互垂直方向直径的平均值，取3处直径的平均值计算应力。4GB/T7.3试样测试7.3.1记录试样编号、尺寸以及试验环境。试验温度范围为25℃±10℃,相对湿度范围为20%~7.3.2将试样安装在设备夹具中，并确保试样与夹头保持牢固，但不能施加过大力以免损坏试样。每次试验之前以及任何时候加载发生变更时，都应检查试样对中情况，同轴度应不大于5%。当R₈=-一时，建议夹头夹持力略小，将试样端面顶紧夹头平面。在其他应力比下，建议在试样夹持端表面均匀缠绕一层具有较大摩擦力的软性材料，如医用胶带。7.3.3设置疲劳试验机的主要参数。推荐加载方式为轴向加载(采用应力控制或载荷控制),波形选择正弦波(也可采用其它波形如三角波、梯形波、方波),频率设置为2Hz。7.3.4疲劳试验前选取一定数量的试样进行室温抗拉强度试验，采用位移控制，推荐拉伸速度为1.0mm/min,计算得出抗拉强度的平均值，以作为疲劳试验应力水平的选择依据。7.3.5设置不同的应力比，采用升降法开展不同寿命条件下疲劳试验，升降法示意图如图2所示。推荐设置应力比为R₈=0、R₈=-1、R₈=-2、R₈=-0,设置循环次数为N=10²、N=10³、N=10⁴、N=10⁵。不同应力比对应不同循环次数形成16种不同试验条件，开展该16种条件下的疲劳试验。图2升降法示意图7.3.6应力台阶d。设置应不大于疲劳极限的5%,当未达到所设循环次数的试样发生断裂时，应降低应力。当达到所设循环次数的试样未发生断裂时，则增加应力，直到形成5对数据点(见图2所示的椭圆)。5对数据点应满足在相邻应力间隔内低应力不断裂，高应力断裂。7.3.7记录应力与时间的变化曲线数据，以及应力下的循环次数。8试验结果8.1疲劳极限下极限估算将应力水平按升序排序，S₀≤S₁≤…≤S₁(l为应力水平数),指定事件数f;,指定应力台阶dg。将每种条件下应力数据进行概率统计处理，按照式(1)～式(3)对试样的平均疲劳强度和标准偏差进行估计。 (1)σy=1.62d₈(D+0.029)(当D>0.3时) (2) (3)式中：μy——平均疲劳强度估计值；5GB/T43111—2023σy——疲劳强度标准偏差估计值。在式(1)中±1/2的确定，被分析事件为失效时取-1/2,被分析事件为非失效时取1/2。被分析事件取失效或非失效数量多者。假定疲劳强度符合正态分布，在置信度为1-α、失效概率为P下的疲劳强度下极限y(P,1-a)按式(4)进行估计： (4)k(p,1-a)——正态分布的单侧误差限系数，具体取值见附录A的表A.1;将疲劳数据进行概率统计处理，得到应力均值μy和标准偏差oy,并通过查表得到对应于存活率为99%(即失效概率P为1%)、置信度1-α为95%的单侧误差限系数k(0.01,0,95,),通过式(4)计算得到失效概率P为1%、置信度1—α为95%时对应的疲劳极限下极限值。8.2古德曼图对于4种条件寿命(N=10²、N=10³、N=10⁴、N=10⁵),每种条件寿命各取4个应力比(R,=0、R₈=-1、R₈=-2、R₈=-0),形成16种条件，加上R₈=1的条件(相当于静态抗拉强度),将该17种条件下的疲劳极限进行汇总，结合失效概率P为50%的疲劳极限及失效概率P为1%(即存活率为99%)、置信度1-α为95%的疲劳极限数据，绘制出疲劳极限对应的Smin/S。(即最小应力与平均抗拉强古德曼图。等静压石墨古德曼图的示例如图3所示。—102循环次数-10³衍环次数—10循环次数R=1R=—3.0—2.5—2.0—1.5—1.)—0.50.0ri/存活率99%置信度95%R=—2R=一1R₂=0灭2图3古德曼图8.3应力-寿命曲线利用线性的数学模型分析应力-寿命曲线关系如式(5):x=b—ay (5)x=lgN,a和b是常数。对于变量y=S或y=1gS,具体根据线性关系选择。对总样本平均S-N曲线的估计按式(6)～式(8):x=b-ay (6)6最大加载耐压强度/MPaGB最大加载耐压强度/MPa (7)b=x+ay (8)式中：a—-—总样本S-N曲线线性斜率估计值；b总样本S-N曲线线性截距估计值；总样本的平均S-N曲线的对数疲劳寿命的标准偏差σ根据式(9)估计：式中：σ--——疲劳寿命标准偏差估计值；n—2--—自由度数。总样本的疲劳强度的标准偏差σ,根据式(10)估计：总样本在(1-α)置信度，自由度为v,失效概率为P下的S-N曲线的下极限x(P,1-a,y)根据式(11)估计：式中平方根是根据总样本对标准偏差估计值的一个修正，该修正依赖于试验数和试验范围。当试样数和范围都足够大时，修正值接近于1,可以忽略。将4个应力比(R,=0、R₈=-1、R₈=-2、R₈=-一)下的所有疲劳数据点进行汇合，分别绘制每个应力比下的S-N曲线，将每种应力比下的数据进行概率统计数据处理，得到了每个应力比下失效概率P为50%的中值疲劳S-N曲线，并得到了失效概率P为1%、置信度1-α为95%的S-N曲线。等静压石墨的应力-寿命曲线(R₈=—0)示例，如图4所示。循环次数N图4应力-寿命曲线图GB/T43111—20238GB/T43111—2023(资料性)不同概率下的正态分布单侧误差限系数k(p,1-a,v)的取值不同概率下的正态分布单侧误差限系数k(p,1-a,)的取值见表A.1。自由度D概率P%51置信度(1—α)/%24.2586.1585.3107.6557.3409.65133.1874.1633.9575.1455.4377.0427.1289.21542.7423.4073.4004.2024.6665.7416.1127.50152.4943.0063.0913.7074.2425.0625.5566.61262.3332.7552.8943.3993.9724.6415.3016.06172.2192.5822.7553.1883.7834.3534.9555.68682.1332.4542.6493.0313.6414.1434.7725.41492.0652.3552.5682.9113.5323.9814.6295.2032.0122.2752.5032.8153.4443.8524.5155.0362.2102.4482.7363.3703.7474.4204.9002.1552.4032.6703.3103.6594.3414.7872.1082.3632.6143.2573.5854.2744.6902.0682.3292.5663.2123.5204.2154.6072.0322.2992.5233.1723.4634.1644.5342.0012.2722.4863.1363.4154.1184.4712.2492.4533.1063.3704.0784.4152.2282.4233.0783.3314.0414.3642.2082.3963.0523.2954.0094.3192.1902.3713.0283.2623.9794.2762.1742.3503