汽车用薄钢板第3部分：轴向应变控制疲劳试验方法-编制说明

一、工作简况1.任务来源根据中国材料与试验团体标准委员会［2021］201号文件“关于CSTM标准《汽车用薄钢板第3部分：轴向应变控制疲劳试验方法》的立项公告”所下达的中国材料与试验团体标准修订计划，《汽车用薄钢板第3部分：轴向应变控制疲劳试验方法》标准列入中国材料与试验团体标准修订计划，计划编号为CSTMLX990000792—2021。该标准由鞍钢钢铁研究院牵头，中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司、钢研纳克检测技术股份有限公司、上海大学、奇瑞汽车股份有限公司、中汽研汽车检验中心（天津）有限公司等单位起草。计划于2021年完成审定，本标准由中国材料与试验团体标准委员会CSTM/FC99综合标准领域委员会归口。标准起草过程2020年1月，调研国内外汽车薄板应变疲劳测定试验相关标准、文献、技术资料。2020年2月-2020年8月针对厚度较薄、强度较低的汽车钢应变疲劳试验难度大，选择厚度从0.8mm～1.4mm，强度级别从110MPa至670MPa，采用轴向疲劳试验机开展标准化验证试验。2020年9月-2021年8月通过分析总结，撰写《汽车薄板轴向应变控制疲劳试验方法》团体标准草案。2021年8月，中国材料与试验团体标准委员会综合标准领域委员会在北京组织召开了《汽车薄板轴向应变控制疲劳试验方法》线上团体标准立项审查会。会议成立了由7位专家组成的审查组，对立项申请表、标准立项草案及编制说明进行审查，将该标准纳入汽车用薄板系列试验方法标准，题目修改成《汽车用薄钢板第3部分：轴向应变控制疲劳试验方法》。2021年9月收到中国材料与试验团体标准委员会下发的《关于CSTM标准《汽车用薄钢板第3部分：轴向应变控制疲劳试验方法》的立项公告》（材试标字[2021]201号）。2021年10月，由中国材料与试验团体标准委员会秘书处将标准征询意见稿及编制说明发送到兄弟企业、高校、科研机构，收集X家修改意见X条。2022年3月召开标准审定会，会上专家代表提出修改建议X条，修改完善后形成标准报批稿。3.主要起草人及其所承担的工作简要说明苏洪英（鞍钢）：项目总负责，负责标准起草、制定验证试验计划。刘仁东、林利（鞍钢）：提出夹具和防屈曲装置榫卯结构设计方案。高怡斐（钢研纳克）、王彩梅（泛亚）：设计应变疲劳试样。孟宪明（中汽研）、王丽敏、王蓬（中关村）：项目协调。徐鑫、芦延鹏、吕冬（鞍钢）：提出夹具榫头、榫眼设计方案丁庶炜、陆晓锋、李萧彤、张南（鞍钢）：提出试样安装方案梁笑、李春林、郝志强、吴萌、曹政（鞍钢）：完成验证试验张赛、谢宇（中汽研）、王存宇（钢研院）、史文（上海大学）、刘培星（山东日照）、沈克（武钢）、李军（奇瑞）、宋伟佳（一汽）、祝铁柱（钢研纳克）、熊自柳（河钢）：项目协调。二、标准化对象简要情况及制修订标准的原则1、标准化对象简要情况材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在某点或某些点逐渐产生局部的永久的结构变化，并在一定的循环次数后形成裂纹或继续扩展直到完全断裂的现象，称为疲劳。由于疲劳断裂经常发生，往往导致灾难性的设备和人身事故，所以疲劳成为力学、材料和工程界所共同重视的学科。薄板是工程结构中的一种材料型式，广泛应用于飞机、汽车等结构。多数工程结构都是在交变载荷作用下工作，因此结构中的薄板一般也会受到交变载荷的作用。目前很多航天航空、汽车领域的厂家要求做应变疲劳，建立疲劳数据库，为用户提供精准的设计数据。它在避免产品设计缺陷，尽量做出“第一次就对”的设计，减少以后的物理样机试验次数方面有着显著的意义。金属薄板的应变疲劳是行业难题，目前国内极少单位可以开展该项试验，也无标可依。相比于应力疲劳，应变疲劳试样变形更大，金属薄钢板更易屈曲，为此需要安装防屈曲变形的装置。但目前现有的防屈曲装置很难完成厚度小于2mm的薄板（带）应变疲劳试验，原因是在安装疲劳试样时，由于防屈曲装置和试验机夹具之间会有间隙，即试样的夹持段会漏出一小段未受约束，未受约束的部分处于平面应变状态，这样对于小于2mm的薄板材料极易在此处打弯导致试验无效。因此急需制订该标准，为汽车薄板轴向应变疲劳试验的推广应用提供了有力的技术支撑。通过标准的制定和实施，将促进技术创新，增强产品的国内外市场竞争力，加快我国疲劳试验技术快速发展具有积极的促进作用。2、制修订标准的原则本标准在修订过程中，遵循“面向市场、服务产业、自主制定、适时推出、及时修订、不断完善”的原则，注重标准修订与技术创新、试验验证、产业推进、应用推广相结合，本着先进性、科学性、合理性和可操作性以及标准的目标、统一性、协调性、适用性、一致性和规范性的原则来进行本标准的修订工作。本标准修改采用GB/T26077：2010《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》。在起草过程中，主要按GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写规则》要求编写。在确定本标准主要技术指标时，综合考虑生产企业的能力和用户的利益，寻求最大的经济、社会效益，充分体现了标准在技术上的先进性和合理性。三、主要内容说明1、标准主要内容1）前言本标准按照GB/T1.1-2020给出的规则重新起草了前言。2）范围与GB/T26077-2010相比规定了板厚为0.3mm～3.0mm，并可用于指定在其他应变比Rε下进行试验。3）规范性引用文件与GB/T26077-2010相比增加了GB/T34104-2017《金属材料试验机加载同轴度的检验》的引用。删除了JJG141《工作用贵金属热电偶检定规程》、JJG351《工作用廉金属热电偶检定规程》、JJG556《轴向加力疲劳试验机检定规程》、JJG617《数字温度指示调节议检定规程》。4）术语和定义与GB/T26077-2010相同。5）符号和说明与GB/T26077-2010相同。6）设备—5.3加热设备及温度测量删除。试样与GB/T26077-2010相比做了很大修改，取消了圆形横截面疲劳试样，矩形横截面仅保留等截面试样，并根据常用的引伸计规定了五种试样尺寸。给出了适用于汽车薄板应变疲劳防屈曲装置实例，并详细解释了防屈曲装置原理和构造。8）试验程序与GB/T26077-2010相比较有以下变化：—7.3增加了试样安装的细节描述：对于先前对好中的试验系统，建议采用位移控制，将试样夹在上、下夹头的一端，然后移动作动器，转为力控制，并将力设置为零，夹好试样的另一端，再装夹引伸计，当其输出归零后，可以进行应变控制转换进行试验。防屈曲板与试验机夹具之间的距离应尽可能小，以减小漏出的夹持段的“平行长度LC”，提高试样刚度。—7.4中增加了试样安装的细节描述：安装防屈曲装置时要保证试样宽度一侧或两侧凸出防屈曲装置的宽度方向约0.5mm～1mm，引伸计刀口要与试样垂直并保持平衡，在引伸计刀口与试样接触两点粘贴胶布或者软薄铜片消除划痕。—7.5.1中删除了关于高温下疲劳试验的阐述。—7.5.2与GB/T26077-2010相同。—7.5.3删除了关于高温下疲劳试验的阐述。—7.6与GB/T26077-2010相同。—7.7删除了关于高温下疲劳试验的阐述。—7.8与GB/T26077-2010相同。—7.9删除了关于高温下疲劳试验的阐述。9）数据处理与GB/T26077-2010相同。10）报告与GB/T26077-2010相同。11）增加了附录A摩擦力的消除方法2、主要技术差异本标准与原标准GB/T26077-2010相比，在以下方面的技术内容进行了较大修改和补充：—修改了前言。—规范性引用文件中增加GB/T34104-2017《金属材料试验机加载同轴度的检验》的引用，删除了JJG141《工作用贵金属热电偶检定规程》、JJG351《工作用廉金属热电偶检定规程》、JJG556《轴向加力疲劳试验机检定规程》、JJG617《数字温度指示调节议检定规程》。—第6章取消了圆形横截面疲劳试样，矩形横截面仅保留等截面试样，并根据常用的引伸计规定了五种试样尺寸。给出了适用于汽车薄板应变疲劳防屈曲装置实例，并详细解释了防屈曲装置原理和构造。—第7章增加了试样安装和引伸计安装的细节描述：对于先前对好中的试验系统，建议采用位移控制，将试样夹在上、下夹头的一端，然后移动作动器，转为力控制，并将力设置为零，夹好试样的另一端，再装夹引伸计当其输出归零后，可以进行应变控制转换进行试验。防屈曲板与试验机夹具之间的距离应尽可能小，以减小漏出的夹持段的“平行长度LC”。安装引伸计时，安装防屈曲装置时要保证试样宽度一侧或两侧凸出防屈曲装置的宽度方向约0.5mm～1mm，引伸计刀口要与试样垂直并保持平衡，在引伸计刀口与试样接触两点粘贴胶布或者软薄铜片消除划痕。—第7章删除了关于高温下疲劳试验的阐述。—增加了附录A摩擦力的消除方法。四、主要试验(或验证)情况本标准在修订过程中主要针对汽车用钢DC06（0.9mm）、CR210LA（厚度0.8mm）、HR340LA（厚度0.8mm）、QP980（厚度1.4mm）等4种材料，强度级别从110MPa至670MPa，采用轴向疲劳试验机开展标准化验证试验，形成标准征求意见稿。详见如下：汽车薄板应变疲劳试验推荐在MTSLandmark电液伺服疲劳试验机进行，以保证试验机的对中度。测试环境为室温、大气环境，试验波形采用三角波，按轧制方向制作疲劳试样。在交变拉压载荷作用下(应变比Rε=-1)进行应变疲劳试验，首先采用GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》P6矩形横截面非比例试样，测出力学性能指标。在疲劳测试过程中，首先对每组试样进行编号，用千分尺测量试件试验段的宽度和厚度，测量误差为0.001mm，记录其宽度和厚度用以计算试样横截面积。按照设定的应变值控制试验，试验加载速率为f=0.004/s，应变比Rε=-1，前1/4循环方向为拉伸，失效标准拉伸应力-循环次数曲线上应力值急剧下降25%时的循环次数。DCO6（厚度0.9mm）验证试验结果所测静态屈服强度为112MPa，抗拉强度为297MPa，设计试样尺寸见图4-1-1，试验结果见表4-1-1、图4-1-2和图4-1-3。图4-1-1试样形状和尺寸表4-1-1试验结果试样号弹性模量E/MPa总应变幅(%)塑性应变幅(%)弹性应变幅(%)应力幅(MPa)2倍寿命11906720.2500.1030.1472011847021672990.9970.1650.83227237631654400.9980.1650.83327638241604670.7970.1540.64326042851851950.4990.1340.366247212461867520.5980.1360.463252102471798520.5990.1500.449253153881541070.7970.1640.63326969891902160.4990.1370.3622472268101862030.2490.1080.14119621270111867270.3500.1280.2222456128122010630.1500.0850.065171194292131951620.3490.1260.2242396562塑性应变—寿命方程*弹性应变—寿命方程*总应变—寿命方程*循环应力—塑性应变方程*疲劳延性系数疲劳延性指数c相关系数R2疲劳强度系数/MPa疲劳强度指数b相关系数R2循环强度系数/MPa循环强度指数相关系数R20.0871-0.41130.990552-0.10480.9456220.16740.898*注1：公式中的应变是绝对应变，而不是表格中的%应变。*注2：根据试验中应力应变曲线的平均结果，方程中的弹性模量E取180704MPa。图4-1-2DC06钢的应变-寿命曲线图4-1-3DC06钢的循环应力-应变曲线HR340LA（厚度0.8mm）验证试验结果所测静态屈服强度为397MPa，抗拉强度为473MPa，设计试样尺寸见图4-2-1，试验结果见表4-2-1、图4-2-2和图4-2-3。图4-2-1试样形状和尺寸表4-2-1试验结果试样号弹性模量E/MPa总应变幅(%)塑性应变幅(%)弹性应变幅(%)应力幅(MPa)2倍寿命141795500.1500.1060.044190100818241742720.1500.1030.04717911377631891190.2500.1160.1342202288861996760.2500.1130.1372262411271804030.2500.1270.1232291084091824250.2500.1210.12922033696251805110.2490.1230.1272211521881741110.3500.1460.2052538380191804060.3490.1430.2062588472211633040.3500.1480.2022418940231797870.3500.1370.213246800251854960.4990.1550.3452874160101782270.4990.1550.3442763070111624130.4990.1650.3342683294151832950.5990.1560.4432862026171820880.5980.1610.4372931898181701210.6000.1620.4382751868塑性应变—寿命方程*弹性应变—寿命方程*总应变—寿命方程*循环应力—塑性应变方程*疲劳延性系数疲劳延性指数c相关系数R2疲劳强度系数/MPa疲劳强度指数b相关系数R2循环强度系数/MPa循环强度指数相关系数R20.2729-0.54270.906711-0.11690.9528370.19710.957*注1：公式中的应变是绝对应变，而不是表格中的%应变。*注2：根据试验中应力应变曲线的平均结果，方程中的弹性模量E取179310MPa。图4-2-2HR340LA钢的应变-寿命曲线TCMPR/ANSTEEL11-022015/A鞍钢技术中心理化检验研究所检验（测）报告附页检测中心（内）字（2015）第20150422001CX号第2页共3页图4-2-3HR340LA钢的循环应力-应变曲线3、QP980（厚度1.4mm）验证试验所测静态屈服强度为672MPa，抗拉强度为1048MPa，设计试样尺寸见图4-3-1，试验结果见表4-3-1、图4-3-2和图4-3-3。图4-3-1试样形状和尺寸表4-3-1试验结果试样号弹性模量E/MPa总应变幅(%)塑性应变幅(%)弹性应变幅(%)应力幅(MPa)2倍寿命11973240.5000.3440.157677781421929540.5990.3720.227717386431809230.7990.4140.385749150841966290.5000.3440.156676608252296300.1500.1480.0033382002000062076680.2500.2360.01449010432071907561.0000.4430.55784585481975860.5000.3440.156679250491884271.0000.4490.551843916102095720.3500.2840.06659527210111971101.0000.4340.566855826121911781.0000.4460.554852826131975090.3500.2910.05957529128141951650.5990.3690.2317193302151931770.5990.3670.2327104106162027800.3500.2860.06457937172171956200.7990.4060.3937941804181981450.3500.2820.06858422760191893130.8000.4160.3847771540201976150.8000.4040.3968031378212002460.3500.2800.07058228552221863780.5000.3290.1716158006232116220.2500.2280.022501108536242052130.2500.2390.012489236274塑性应变—寿命方程*弹性应变—寿命方程*总应变—寿命方程*循环应力—塑性应变方程*疲劳延性系数疲劳延性指数c相关系数R2疲劳强度系数/MPa疲劳强度指数b相关系数R2循环强度系数/MPa循环强度指数相关系数R20.2744-0.59110.9591840-0.11370.97419060.16000.972*注1：公式中的应变是绝对应变，而不是表格中的%应变。*注2：根据试验中应力应变曲线的平均结果，方程中的弹性模量E取198023MPa。图4-3-2QP980钢的应变-寿命曲线TCMPR/ANSTEEL11-022015/A鞍钢技术中心理化检验研究所检验（测）报告附页检测中心（内）字（2015）第20150422001CX号第2页共3页图4-3-3QP980钢的循环应力-应变曲线4、CR210LA（厚度0.8mm）所测静态屈服强度为258MPa，抗拉强度为355MPa，设计试样尺寸见图4-4-1，试验结果见表4-4-1、图4-4-2和图4-4-3。图4-4-1试样形状和尺寸表4-4-1试验结果试样号弹性模量E/MPa总应变幅(%)塑性应变幅(%)弹性应变幅(%)应力幅(MPa)2倍寿命11744470.9980.1780.82031143221769660.7990.1720.62830379832000170.2490.1150.1352292468641746570.9980.1750.82330547861869410.3500.1360.214255768471768861.0000.1760.82431044681658240.7990.1770.622293143892051660.1500.0930.05719064698102120150.1000.0820.018174114522112085710.1000.0840.016175127728121892990.3500.1350.21525410814131954520.4990.1460.3532853758141920440.1500.0980.05218832994151738900.7980.1730.6253011146161786170.7970.1750.6223131222171837750.2490.1180.13121725680181783640.6000.1590.4412832030191790720.6000.1620.4392892138201924970.2500.1170.13322424010211767290.7960.1680.6292961322222215770.1000.0800.020177103824231953180.3500.1320.2182568608242038990.1500.0940.05719133154251751860.4990.1560.3432723828261719630.4990.1560.3442672728塑性应变—寿命方程*弹性应变—寿命方程*总应变—寿命方程*循环应力—塑性应变方程*疲劳延性系数疲劳延性指数c相关系数R2疲劳强度系数/MPa疲劳强度指数b相关系数R2循环强度系数/MPa循环强度指数相关系数R20.64143-0.657560.932884-0.144930.9386940.165940.973*注1：公式中的应变是绝对应变，而不是表格中的%应变。*注2：根据试验中应力应变曲线的平均结果，方程中的弹性模量E取187567MPa。图4-4-2CR210LA钢的应变-寿命曲线PAGE10PAGE图4-4-3CR210LA钢的循环应力-应变曲线5、设计、制作防屈曲装置目前现有的防屈曲装置很难完成厚度小于1mm的汽车薄板应变疲劳试验，原因是在安装疲劳试样时，由于防屈曲板和试验机夹具之间会有间隙，即试样的夹持段会漏出一小段未受约束。而夹持段宽度W不可能太小，一般要求W≥1.5b，这样未受约束的部分处于平面应变状态，小于1mm的薄板材料易在此处打弯导致试验无效。本防屈曲装置假象漏出的夹持段就相当于试样的“试验”段，应尽可能减少漏出的夹持段的“试验段宽度”。采用榫卯结构的设计思路，将原有试验机的上、下夹具各切割n个直槽（直槽数量依夹持段宽度W而定，一般要求被直槽均分后的每段夹持段宽度W不大于5mm），同时设计左、右防屈曲板与之榫卯连接，这样就使漏出的夹持段宽度W被平均分割成（2n+1）份，相当于减小了夹持段的“试验段宽度”，避免了夹持段漏出的部分处于平面应变状态，而导致薄板材料在该处打弯使试验失效。设计的防屈曲装置见图4-5-1。1-试样2-聚四氟乙烯板3-防屈曲板4-设备夹具图4-5-1防屈曲装置不同试样尺寸的应变疲劳试验比对选用HC380LA（2.0mm）加工不同试样尺寸的疲劳试样，试验段宽度分别为8mm和15mm，其余尺寸相同，进行总应变幅分别为0.25%、0.35%、0.8%、1.0%、1.5%的应变疲劳比对试验。结果见表4-6-1。表4-6-1试验结果总应变幅(%)循环周次N/次（b=8mm）循环周次N/次（b=15mm）1234均值1234均值0.25362392426122264/27588168171494511358/143730.351108103209689111148058678062095846700664600.8138496415341196127095591211267919461.05236847096366386495665454855611.5392249340290318329328296334322由表4-6-1知，在总应变幅0.25%、0.35%、0.8%时，尺寸小的试样循环周次多；总应变幅为1.0和1.5%时，周次相差不大。建议做试验时选用相同尺寸的试样进行标准测试。摩擦力选用厚度0.8mm的HR340LA和厚度2.5mm的HR550-610LA，探索安装防屈曲装置后对试验结果的影响。应变水平设计为0.5%、1.0%和2.0%。HR340LA锁紧扭矩0.5Nm、0.9Nm、1.4Nm、2.0Nm，HR550-610LA锁紧扭矩0.9Nm、2.0Nm、4.0Nm。安装防屈曲装置前，HR340LA和HR550-610LA的弹性模量分别为202600MPa和198600MPa，安装防屈曲装置后的弹性模量及试验结果见4-7-1、4-7-2、。表4-7-1HR340LA安装防屈曲装置后弹性模量及试验结果总应变幅△εt/%锁紧扭矩Nm循环寿命Nf/次平均值/次弹性模量/MPa平均值/MPa偏差/%0.50.52373627334/25535202535198084/200310-1.130.50.91165734182/22920229054187341/2081982.760.51.41851626553/22535337553434600/38607790.560.52.01184915418/13634366666318039/34235368.9810.52358237029032544211754195826189013198864-1.8410.924882822/2655205230204360/2047951.0811.423552962/2659443971232679/33832566.9912.030283107/3068162279206173/184226-9.0720.54395075565012139921990311954062028100.1020.9409488/449206605217294/2119504.6121.4435440/438230045282099/25607226.3922.028246057944026497323343833560027800437.22表4-7-2HR550-610安装防屈曲装置后弹性模量及试验结果总应变幅△εt/%锁紧扭矩Nm循环寿命Nf/次平均值/次弹性模量/MPa平均值/MPa偏差/%0.50.917655138411564015712198124184896206252196424-1.100.52.0139917797208931422722266923958822515722913815.380.54.01146411667129731203527418025380523422225406927.9310.9141