T-CSTM 00790.3-2022 汽车用薄钢板 第3部分：轴向应变控制疲劳试验方法

2022-11-23发布2023-I本部分为T/CSTM00790《汽车用薄钢板试验方法》的第3部分。本文件由中国材料与试验团体标准委员会综合标准领域委员会（CSTM/FC99）提出。本文件由中国材料与试验团体标准委员会综合标准领域委员会（CSTM/FC99）归口。1体系设计上形成汽车薄板的系列化，特制订汽车用薄钢板系列T/CSTM00790《汽车用薄钢板试验方法》拟由4部分构成：应变的均匀性和一致性以及大应变量的十字形拉伸试样形状和本文件的发布机构提请注意，声明符合本文件时，可能涉及到6.2.1条（榫卯结构的防屈曲装置）与申请号202010646804.4《一种汽车薄板应变疲劳试验装置及方法》相关的专利的使用。本文件的发布机构对于该专利的真实性、有效性和范围无任何立场。该专利持有人已向本文件的发布机构承诺，他愿意同任何申请人在合理且无歧视的条款和条件下，就专利授权许可进行谈判。该专利持有人的声明已在本文件的发布机构备案。相关信息可以通过以下联系方式获专利持有人姓名：鞍钢股份有限公司地址：中国辽宁省鞍山市铁西区鞍钢厂区请注意除上述专利外，本文件的某些内容仍可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。汽车用薄钢板第3部分：轴向应变控制疲劳试验方法本文件规定了室温下汽车用薄钢板试样（没有引入应力集中）轴向应变控制疲劳试验的术语和定义、符号和说明、设备、试样、试验程序、数据处理和试验报告。本文件适用于厚度不大于3.0mm（试样最小厚度0.5mm）的汽车用薄钢板（不包括缺口试样)在恒幅条件下应变控制且应变比Re=-1的轴向加载试验。指定在其他应变比Re下进行试验也可参照执行。下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是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/T26077—2021金属材料疲劳试验轴向应变控制方法GB/T26077界定的术语和定义适用于本文件。GB/T26077界定的符号适用于本文件。应符合GB/T26077中5.1、5.2、5.4、5.5的规定。必要时应采用防屈曲装置，其几何尺寸需与试样配套并允许在测试横截面宽度的侧面测量应变，防屈曲装置应使试样失效在测试段内。推荐两种结构的防屈曲装置：2——厚度小于1.5mm且屈服强度小于600MPa时，如冷轧低碳钢，连续热镀锌钢、烘烤硬化钢、双向钢中的DP450、DP490、DP590、DP780、高强度无间隙原子钢、低合金高强度钢、各向异性钢、相变诱导塑性钢、复相钢中的CP590和CP780、碳锰钢等，推荐采用榫卯结构的防屈曲装置，如图1所示；——屈服强度大于600MPa时，如双向钢中的DP980、DP1180、马氏体钢、复相钢中的CP980、淬火配分钢中的QP980、QP1180、栾晶诱导塑性钢等，推荐采用顶端平齐的防屈曲装置，如图2所示。防屈曲装置包括上夹具、左右两个防屈曲板及下夹具，其几何尺寸需与试样配套并允许在测试横截面宽度的侧面测量应变。假想露出的试样夹持端就相当于试样的“测试段”，采用榫卯结构的设计思路，将试验机的上、下夹具各切割n个直槽，同时设计左、右防屈曲板与之榫卯连接，即夹具底部的多个榫眼与防屈曲板顶部的多个榫头配合连接形成的榫卯结构，这样就使露出的夹持端宽度W被平均分割成（2n+1）份，相当于减小了夹持端的“测试横截面宽度w”，避免了夹持端露出的部分处于平面应变状态，而导致薄板材料在该处屈曲。为避免试样断裂时触发极限而导致的夹具榫头与防屈曲板榫眼相撞，对应试样的纵向，夹具与防屈曲装置的榫卯连接处间隙为1mm～2mm，对应试样的横向，夹具与防屈曲装置的榫卯连接处间隙为0.5mm～1mm。可采用扭力扳手紧固防屈曲装置，施加相同的锁紧扭矩，使防屈曲装置受力均匀，避免因某个螺丝松动而影响试验结果。聚四氟乙烯板宽度要稍小于防屈曲板中间立柱宽度，可采用双面胶粘贴聚四氟乙烯板。依据试样厚度及强度不同，可设计不同尺寸的防屈曲板中间立柱宽度。应在每个试验开始前通过记录试样在安装防屈曲装置前后在拉伸弹性范围内的应力一应变曲线，比较弹性模量增量，弹性模量的测量值与预期值的偏离宜不超过±5%，确定附加摩擦力的大小。依据试样厚度、强度不同选择不同的锁紧扭矩，一般在0.5Nm～1.4Nm之间，在试验过程中保证防屈曲装置不滑落的前提下可适当减小锁紧扭矩以减小摩擦力对试验结果的影响。采用约0.5mm厚的聚四氟乙烯板或氮化硼粉末干燥润滑剂能在一定程度上解决这个问题。不推荐使用烃基润滑剂因为它有可能对试验结果产生影响。对于厚度较薄且强度很低的汽车用薄钢板，可将聚四氟乙烯板延长至夹具榫眼处，避免夹持段范围疲劳失效提前发生的风险。4试样夹持部分应与试样轴线或缩小的试验截面轴线保持同轴或对称。试样夹持部分的横twraL0LpW4.0～5.056PL156PL28PL38PL4PL5PL6满足试样安装条件的情况下，试样平行长度大于引伸计标距1mm～3mm即可，避免出现试样标距部分宽度屈曲。试样测试横截面宽度与防屈曲板的中间立柱宽度建议相差不超过2mm，以免出现试样标距部分厚度屈曲。尽量选择小标距引伸计，对于强度低的汽车用薄钢板，推荐采用小尺寸试样。6.6.1试样所采用的加工工艺应尽可能使试样表面产生的残余应力和加工硬化减至最小，在加工过程中应防止过热或其他因素的影响而改变材料的疲劳性能，力求试样表面质量均匀一致。6.6.2试样抛光完成后应涂一层防腐蚀油，测试前应将其去除，避免影响测试结56.6.3试样工作部分与圆弧过渡部分的连接应光滑，不得有6.6.4建议纵向铣削或线切割后，再用纵向磨抛的方法进行试验段部分表面的最后精加工。需采取措施6.6.6应在精加工完成后对试样的尺寸进行检查，采用——试样制备好后，应保存以防止任何损伤(接触刮伤或氧化等)。建议采用单独的盒子或带封头的管保存试样。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；——应尽量减少对试样的运输；——对试样进行标记时应特别注意。推荐在试样的两端标记试样，这样两段断后的试样都可以被识别出来。试验通常在室温（10℃~35℃)下进行，相对湿度≤80%。试验时保证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以及最小限度的外部机械振动。7.3.1对于先前对中好的试验系统，可采用两a)先采用位移控制，将试样夹在上、下夹头的一端，然后移动作动器，到合适位置后转为力控制，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；b)采用位移控制，要预先设定好试样载荷保护，要求载荷保护的力值不超过屈服强度的5%。7.3.2试样在安装时应尽量避免预应变，要保证夹持过程中试样不得受到明显的附加力。防屈曲7.3.3推荐选用硬质合金表面、金刚石端点表便于引伸计与试样接触。引伸计刀口要与试样用两只相同的引伸计分别放在测试横截面宽度的两侧边上测量应变，并取其平均值作为试验的控制参量，若实验室无法满足双引伸计控制也可考虑单侧安装一个7.4.2引伸计安装时刀口引起的轻微划痕或者引伸计箍紧力较大会导致引伸计与试样表面接触处生裂纹，导致测试寿命偏短。建议可在引伸67.4.3引伸计必须稳定固定在试样上，以确保整个试验过控制参量(应变)的波形应为三角波或正弦波，推荐使用三角波，加载速率控制。加载速率在5×10-4/s～1×10-2/s之间，但应保证试样不得发热。在试验过程中波形应保持不变。建议在试验开始前进行摩擦力的检验（见附录A）或弹性模量检查试验。弹性模量检查试验是在弹性范围内对试样反复施加循环力，测定材料在安装防屈曲装置后的拉伸弹性模量，拉伸弹性模量的测量值与弹性模量的偏离应不超过±5%。通常前四分之一循环的方向选择拉伸应力，弹性模量检查后将控制方式由力转为应变，试验机应在没有过冲的情况下完成转换，过冲会对试验产生影响。试验开始时的实际应变幅值与控制应变幅值的差值应不超过控制应变幅值的5%。为了达到7.2规定的应变水平，应对应变量进行调整，这个调整过程应在前10个循环或失效循环数的1%（取其小者）内完成。试验开始后一般在试样失效之前不得中断。如果由于意外造成中断，在恢复试验前应确认：——在停止过程中并未损坏试样（即弯曲）；——引伸计未发生滑动；——意外停止前应力是连续的；——模量与意外停止前相同;——应变限值与意外停止前相同。可以通过分析试验数据对以上两种情况进行确认。未发生上述两种情况下允许在保证没有过冲的条件下恢推荐试样数量至少为8件，得到的疲劳应变-循环曲线图在循环次数上最少应覆盖3个数量级。对于X-Y记录系统在试验开始阶段，应连续记录由应变控制反馈的原始应力-应变滞后迥线，然后在试验期间应定期记录这一曲线。数据记录频率的选择与预期的试验循环数有关，通常采用的数据记录组包括试验的前10个循环，接下来按照对数增长（如20，50，100，200，500等）。对于自动数据采集系统，可以通过预先设定好循环数的程序或者根据两个参量（应力和应变）的变化量制定程序来完成采集循环数的选取。不论采用哪种记录方式，给定的数据采样速率应能够清晰描述滞后迥线。如果试验设备允许，记录随时间变化的应力、应变。如不能做到这一点，至少应记录应力、应变的峰值以便根据7.9确定试样失效。当达到选定的终止试验条件且试验机配备条件控制设备停机时试验将终止。如果没有这一装置，应采用其他可行的停止试验机的方法，如当力值达不到某一力值门槛（一般而言，这是一个取决于幅值的满量程的分数）时可使用控制信号，当控制信号与反馈信号达到某一差值时终止试验。7.10.1根据试验目的和所试材料特性确定失效标准。可选择判断标a)试样完成断裂为两部分；b)最大拉伸应力相对于试验确定的水平发生某一百分数的变化。7.10.2记录与试验机框架相关的裂纹萌生位7.10.3对于一组试验所使用的失效判下，Nf被定义为在拉伸应力一循环次数曲线上应力值急剧下降x%时的循环次数。通常x的值为10，x值7.10.4失效循环的次数通常从上边界应力或7.10.5这一失效判据与在试样上出现7.10.6对于完全断裂或部分断裂的试样，应7.10.7为了确认试验的有效性应对试样进行引伸计留下的过大的卡痕或者由于对中问题引起8a)对于在初始硬化以及软化后存在稳定状态或一直处于稳定状态的材料b)对于连续软化的材料应记录7.8.1规定的记录频率下的峰值应力、应变范围与循环次数的关系和应力-应变滞后回线，以及下述两种情况发生时的循环次数：——拉伸应力第一次下降到由7.10选定的条件值以下。不同类型的应变值所示如下：a)emax和emin是实际测量值，Δet是应变范围;b)Δee由△S/E计算得到；c)对于没有保持时间的连续循环试验Δep，由Δet—Δee计算得到。Nf由7.10.1a）和7.10.1b）给出。8.2.3应力-应变及应变-疲劳寿表2～表4列出了由拉伸试验（参考材料数据）及低循环疲劳试验[应力一应变曲线（前1/4循环），在Nf/2下的循环应力一应变曲线，疲劳寿命Nf］测定的材料性能。EnlgσalgΔεp/2曲线的斜率K强度系数。在lgσa—lgΔεp/2曲线上εpaσa=K(Δεp/2)n曲线的斜率nlgσalgΔεp/2曲线的斜率K在lgσalgΔεp/2曲线上εpa=1对应的应力截距σa=K(Δεp/2)n在lgσalg2Nf曲线上2Nf=1对应的应力截距σa=σ(2Nf)bbcΔεt/2=(σ/E)(2Nf)b+ε(2Nf)c当Re=-1时，疲劳结果通常用于表示材料……………(1)并认识到循环应力一应变关系，如式(2)所示：…………(2)替换后，如式(3)所示:…………(3)对于总应变一寿命关系中的双对数线性部分，后续可以写出Coffin-Manson关系，如式(4)所示：…………(4)对子总应变的（中文Basquin或弹性应变寿命对数线性部分，可按式(5)写出：Δεe/2=(σ/E)(2Nf)b…………(5)当组合这些对数线性关系时，如式(6)所示：Δεt/2=(σ/E)(2Nf)b+ε(2Nf)c…………(6)或者类似的应变一寿命关系。在上述本构关系中，应注意的是应变和应力的名称是真应力和真应变，并且这些在约10%的总应变值时基本上等于工程应力和工程应变。还应注意，塑性应变和非弹性应变的术语可以互换使用。9.1概述试验报告应包括试验目的、材料信息、试验方法、试验条件、试验结果以及在试验过程中出现的任何异常或中断。这些信息包括9.2～9.8所示内容。9.2试验目的研究的目的。9.3材料材料的报告内容包括：——牌号；——化学成分；——名称；——热处理制度；——显微组织/硬度；——在试验温度下的力学性能。试样图包括：——取样位置及方向；——最终加工状态及表面粗糙度Ra。9.5试验方法9.5.1试验设备的报告内容包括：——机架承载能力：±___kN校准：___kN;——作动器类型(液压、电子机械等)；——作动器的承载能力：±___kN；——控制类型（模拟、数字、混合）。——夹具类型（手动或液压预紧、描述或图片——在试验力下确认对中及弯曲等级的方法；——使用的描述（图表或图片——标距：___mm；——量程范围：±___mm；——校准程序及结果；——最近一次校准数据：9.6试验条件试验条件的报告内容包括：——轴向应变范围;——应变比Re（=emin/emax）：__________；——波形：__________；——应变速率或频率：__________；——前1/4循环方向（拉伸或压缩）；——细说明停留时间和所采用的控制策略。9.7试验结果表述见表5。εtaεpa2NfΔεe/2=(σ/E)(2Nf)b或Δσ/2=σ(2Nf)bΔεt/2=(σ/E)(2Nf)b+ε(2Nf)cΔσ/2=K(Δεp/2)nl系数σ/MPa系数K/MPa摩擦力检验首先进行单轴拉伸试验，试样与应变疲劳试样尺