金属材料 板状、棒状微型试样 第1部分：疲劳试验方法 征求意见稿

1GB/Txxx—XXXX金属材料板状、棒状微型试样第1部分：疲劳试验方法本文件规定了金属材料漏斗形板状试样低周疲劳试验方法的术语和定义、符号、试验原理、试样、设备、试验程序、数据处理和试验报告等。本文件适用于厚度为0.6mm~2mm的均质、各向同性、应力-应变关系呈幂律的金属材料漏斗形板状试样的等幅低周疲劳试验。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/T10623金属材料力学性能试验术语GB/T12160金属材料单轴试验用引伸计系统的标定（GB/T12160-2019，ISO9513:2012，IDT）GB/T16825.1静力单轴试验机的检验第1部分：拉力和(或)压力试验机测力系统的检验与校准(GB/T16826.1—2008，ISO7500-1：2004，IDT)GB/T25917.1单轴疲劳试验系统第1部分：动态力校准（GB/T25917.1-2019，ISO4965-1：2012，IDT）JJG556轴向加力疲劳试验机检定规程3术语和定义GB/T10623界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1力-位移迟滞回线force-displacementhysteresisloop试验记录的一次循环中的力与引伸计标距段位移的关系曲线2GB/Txxx—xxxx图1典型的力-位移迟滞回线3.2力幅-位移幅曲线force-displacementamplitudecurve试样的力幅和引伸计标距段位移幅的关系曲线。3.3卸载刚度unloadingstiffnessS试样首次卸载段的力-位移曲线斜率的卸载力-位移曲线如图2所示。图2典型的卸载力-位移曲线4符号和说明本文件使用的符号及其名称、单位和说明见表1。表1符号和说明符号单位说明b—疲劳强度指数c—疲劳延性指数Dmm试样夹持端圆孔直径3GB/Txxx—XXXX表1符号和说明（续）符号单位说明dmm引伸计标距段位移damm引伸计标距段位移幅da,emm引伸计标距段位移幅的弹性分量da,pmm引伸计标距段位移幅的塑性分量EGPa弹性模量FN轴向力FaN轴向力幅FmaxN最大轴向力FminN最小轴向力KaMPa循环强度系数Lmm试样长度L0mm试样工作段长度L1mm试样夹持端孔距mm引伸计标距Nf周达到失效时的循环数na—循环应变硬化指数Rmm试样漏斗圆弧半径rmm试样过渡段圆弧半径SN/mm试样卸载刚度tmm试样厚度Wmm试样夹持端宽度wmm试样工作段宽度εamm/mm等效应变幅εa,emm/mm等效应变幅的弹性分量εa,pmm/mm等效应变幅的塑性分量'εf—疲劳延性系数εnmm/mm引伸计标距段轴向名义应变，εn=(d-l0)/l0εn,amm/mm引伸计标距段轴向名义应变幅，εn,a=(εn,max-εn,min)/2εn,maxmm/mm引伸计标距段轴向最大名义应变εn,minmm/mm引伸计标距段轴向最小名义应变σaMPa等效应力幅'σf—疲劳强度系数4GB/Txxx—xxxx5试验原理通过单试样多级循环试验得到力幅-位移幅关系曲线，确定材料循环强度系数和循环应变硬化指数，进而得到材料的循环应力幅-应变幅关系。通过不同级应变水平（名义应变幅）的疲劳试验得到名义应变幅-寿命曲线；由力幅、位移幅与试样漏斗根部等效应变幅的转换关系计算得到各级名义应变幅下试样的应变幅，再由循环应力幅-应变幅关系得到试样漏斗根部等效应力幅，进而由应变幅、应力幅和寿命得到材料的Masson-coffin律。6试样6.1试样形状与尺寸6.1.1板状试样采用漏斗形板状试样，试样构形如图3所示。试样的几何尺寸应满足以下条件：——避免发生压缩失稳；——最小厚度应保证安装于试样侧面的引伸计的稳定性。试样工作段长度L0根据引伸计标距l0选择，l0大于试样漏斗跨距（2R）。为避免压缩失稳风险，标距段长度L0应不超过1.5w。推荐试样几何尺寸范围及公差见表2。表2推荐试样几何尺寸范围及公差范围漏斗圆弧半径R2mm≤R≤5mm试样厚度tt≥0.6mm且0.1≤t/R≤0.4试样工作段宽度ww=3R试样工作段长度L0L0=l0+2mm过渡圆弧半径r2R≤r≤3R试样长度LL≥10R试样夹持端孔距L1L1=L0+15mm试样夹持端圆孔直径D2R试样夹持端宽度WW>D+2R试样尺寸公差±0.02mm试样尺平行度和垂直度≤0.02mm5GB/Txxx—XXXX图3典型漏斗形板状试样几何构形6.2试样的制备与储存6.2.1试样制备试样应从均质的原材料或毛坯上切取。试样制备工艺的选择应尽可能减小试样的残余应力。应尽可能减小试样表面粗糙度对试验结果的影响，平均表面粗糙度不大于1μm，漏斗根部粗糙度不大于Ra0.32μm。建议在制备的最终阶段对漏斗根部进行纵向抛光。试验材料若需热处理后试验，应先对材料进行热处理再加工成试样。若热处理后材料硬度过高，难于机加工，可先进行粗加工，热处理后再进行精加工。6.2.2标记应对试样进行编号，且编号应具有唯一性。可用任何标记方法对试样进行标记，但标记不应在加工过程中被消除，且标记应不影响试验结果。建议在试样的两端标记试样，试样断裂后的半截试样也可以被识别出来。6.2.3尺寸检查应对试样的尺寸进行检查，采用的检查方法应不改变试样的表面条件。6.2.4储存试样制备好后，应及时清洗并妥善储存，以防试样变形、表面损伤或腐蚀。应尽可能避免运输过程中对试样造成的损伤。7试验装置7.1试验机试验机应能按照指定的波形进行应变控制并测量试验力，且当试验力过零时试样不发生过冲。试验机应有足够的刚性和对中性。6GB/Txxx—xxxx7.2力传感器力传感器的量程应足够覆盖试验时的力值变化范围，且测量准确度应优于1级。7.3二次夹具本文件所推荐的漏斗形板状试样无法用试验机夹具直接夹持，需采用二次夹具实现试样与试验机的连接。二次夹具应能够将试验力平稳传递至试样纵轴线上，且应满足7.6.2的对中性要求。二次夹具应便于试样的重复安装，夹具材料的选择应保证夹具足够的刚性。推荐的二次夹具构形示意图见图4，其中M为螺纹孔大小。图4二次夹具构形示意图7.4引伸计应采用轴向引伸计测量试样一侧引伸计标距段（l0）的名义应变。引伸计应适合长期测量动态应变并最大限度的降低信号漂移、滑动和机械滞后。引伸计测量准确度应优于1级。按图5所示方式安装引伸计，安装后的引伸计应确保不发生相对滑动。7GB/Txxx—XXXX图5引伸计安装示意图7.5数据记录系统数据记录系统应能记录并采集试验过程中的时间、试验力、应变和循环次数等信息。7.6设备检验7.6.1检查和校准应定期对试验机及其测控系统进行检查和校准。应按照GB/T16825.1、GB/T25917.1及JJG556对试验力测量系统进行校准。应按照GB/T12160对引伸计进行校准。7.6.2对中性检查从制备好的试样中任选一个试样进行试验前对中性检查。对该试样进行弹性加载，测量其一侧的名义应变，其后将载荷卸除。保持试样安装状态不变，将引伸计安装到试样的另一侧，再次对试样等载荷加载，测量试样另一侧的名义应变。前后两次测得的试样两侧名义应变的相对误差应不超过5%。若超过此限值，应检查并调整试验机、夹具和试样，确保整个加载链系统满足对中性要求。8试验程序8.1试验环境试验环境应符合以下条件：——恒定的室温及相对湿度；——最小限度的大气污染（如灰尘、化学蒸汽等）；——没有能够影响试验机控制和数据采集的外部电信号干扰；——最小限度的外部机械振动。8GB/Txxx—xxxx8.2试验控制试验应采用应变控制方式对试样进行循环加载，以试样一侧的名义应变为控制应变。整个试验过程中应变峰值控制误差在1%以内。应变控制波形在试验过程中应保持稳定，推荐使用三角波。试验频率应使试样漏斗根部温度改变不超过2℃。推荐试验频率：0.01Hz～lHz。应变比为-1。为达到规定的应变水平，需通过系统闭环控制对应变量进行调整，整个调整过程应在前10个循环或失效循环数的1％（取其小者）内完成。8.3开始试验8.3.1单试样多级循环试验为确定循环应力幅-应变幅关系，应采用单个试样开展多级名义应变水平下的循环稳定试验。名义应变幅以0.05%为增量，从0.1%至0.5%逐级循环加载，每级名义应变幅水平循环加载若干循环次数至试验力稳定。8.3.2疲劳试验采用多个试样开展疲劳试验。选取4~6级名义应变水平，每级应变水平至少2个有效试样。若要求进行统计分析时，则应按试验目的确定试样数量。推荐首次试验选取应变水平为0.3%~0.5%，其他应变水平应以0.05%~0.1%为变化值，应变水平的设定应尽可能使材料疲劳寿命介于500~20000循环次数。8.4试验记录试验期间，应定时采集试验时间、试验力、应变和循环次数等数据。数据采集频率应能连续描述力-位移迟滞回线。建议每个循环采集的数据点不少于100个。8.5失效判定失效循环次数Nf可由符合下述失效判据之一对应的循环数定义：a）试样漏斗根部出现明显裂纹；b）最大拉伸力相对于循环稳定时的水平降低x%。推荐x的值为10。9GB/Txxx—XXXX图6循环软化或硬化材料基于力值的失效判定条件8.6试验有效性判定疲劳裂纹出现在试样漏斗根部，或按照8.5b）的规定判定为正常失效，则试验结果有效，否则无效。因初始缺陷或引伸计磨痕而导致试样过早失效，则试验结果无效。由于对中问题导致试验过程中试样异常弯曲，则试验结果无效。其他情况导致的试验异常终止，则试验结果无效。9数据处理9.1力幅-位移幅曲线的确定根据单级控制应变水平稳定循环下的力-控制应变数据确定力-位移曲线。循环力幅Fa和位移幅da由式（1）确定：l0……力幅-位移幅曲线可由单试样的各级循环试验数据确定。9.2循环应力幅-应变幅关系的确定在da,p/R∈[0.1(da,p/R)max,(da,p/R)max]范围内，按式（2）进行幂律拟合确定Ca和ma。F=Cad……（2）式中：Ca――力幅-塑性位移幅系数；ma――力幅-塑性位移幅指数。GB/Txxx—xxxx塑形位移da,p幅由式（3）确定：-da,e……在确定参数Ca和ma后，由式（4）计算na和Ka：……式中：kp1、kp2和mp――常数，见表2。表2参数值mpkp1kp20.74940.30320.5851被测材料的循环应力幅-应变幅关系由式（5）确定：……9.3试样根部应变幅与应力幅的确定根据疲劳试验中每个试样Nf/2时的力-名义应变数据，由式（1）确定力幅Fa和位移幅da，再由式（3）确定位移幅塑性分量da,p，进而由式（6）确定试样漏斗根部等效应变幅εa。kp2……式中：c1~c5――常数，见表3。表3参数值c0c1c2c3c4c53.6440-1.71750.3356-1.49101.49507.2550GB/Txxx—XXXX当确定每个试样漏斗根部等效应变幅εa后，可由式（5）通过迭代法求解试样漏斗根部等效应力幅σa。附录B给出了推荐的迭代方法。9.4应变-疲劳寿命关系的确定由式（7）确定试样根部等效应变幅的弹性分量εa,e和塑性分量εa,p：……失效的循环数Nf由8.5给出。由式（8）拟合确定Manson-Coffin律参数：b……10试验报告试验报告一般应包括以下内容：a)本标准编号；b)材料的名称、牌号、生产厂、炉批、规格、化学成分、热处理工艺及常规力学性能；c)取样部位、试样形状、尺寸、表面状态和试样标识；d)试验设备信息；e)试验条件，包括试验温度及控制方法、环境介质、试验频率、波形、加载比；f)试验过程中不符合本标准的任何情况或其他异常情况；g)试验结果：1）多级循环加载滞回曲线及力幅-位移幅曲线；2）循环应力幅-应变幅曲线关系的分析结果，包括循环强度系数和循环应变硬化指数；3）每个试样的名义应变水平εn及其到达失效的循环数Nf，以及确定失效的标准；4）等效应变幅-疲劳寿命曲线分析结果，包括疲劳强度指数、疲劳延性指数、疲劳强度系数和疲劳延性系数；5）试验日期，试验、数据分析和校对人员。GB/Txxx—xxxx（资料性）推荐试样及夹具推荐的漏斗形板状试样尺寸如图A.1所示，对应的推荐试验夹