國(guó)內(nèi)外金屬材料低周疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

(華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237)

0 引言

金屬疲勞試驗(yàn)是評(píng)估金屬材料疲勞性能的重要方法之一。從試驗(yàn)的控制方式來(lái)區(qū)分，疲勞試驗(yàn)可以分為力控制和應(yīng)變控制兩種。通常情況下，高周疲勞試驗(yàn)采用力控制方法，而低周疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)變控制方法[1]。對(duì)于高周疲勞試驗(yàn)，其變形處于線彈性變形階段，應(yīng)力應(yīng)變呈正比，所以，此時(shí)的力控制本質(zhì)上也是控制應(yīng)變。對(duì)于低周疲勞試驗(yàn)，除非試驗(yàn)?zāi)康木褪且芯苛刂茖?duì)疲勞性能的影響或棘輪試驗(yàn)，否則都采取應(yīng)變控制方法。因?yàn)榈椭芷谠囼?yàn)需要應(yīng)力達(dá)到甚至超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，此時(shí)很小的應(yīng)力變化會(huì)引起較大的應(yīng)變變化，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散度大[2]。相比于力控制方法，采用應(yīng)變控制可以保證較小的數(shù)據(jù)分散度，并減小對(duì)試驗(yàn)力敏感度和對(duì)試驗(yàn)機(jī)的要求，所以低周疲勞試驗(yàn)一般采取應(yīng)變控制方法。目前，國(guó)內(nèi)低周疲勞試驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)較雜，若采用不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果可能存在較大差異，因此本文對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，希望為今后制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

目前，國(guó)內(nèi)低周疲勞試驗(yàn)方法主要有ASTM E606—2012《Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing》[3]、GB/T 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》[4]，以及參考ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系的GB/T 26077—2010《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向應(yīng)變控制方法》[5]。本文對(duì)ASTM E606—2012，GB/T 15248—2008，以及GB/T 26077—2010三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)間的差異進(jìn)行分析比較，羅列這些標(biāo)準(zhǔn)在試樣要求、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)報(bào)告等四個(gè)方面的差異(所用術(shù)語(yǔ)均引自GB/T 15248—2008)。

1 標(biāo)準(zhǔn)概述

從標(biāo)準(zhǔn)的編制來(lái)看，ASTM E606更全面、系統(tǒng)，對(duì)各項(xiàng)要求作出的解釋更具體和詳細(xì)。GB/T 15248與ASTM E606相似度較高，各款項(xiàng)說(shuō)明較詳盡。而GB/T 26077是以ISO 12106標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)編制的，相比其他兩項(xiàng)具體的低周疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)而言，較簡(jiǎn)短精煉，一些要求只是一筆帶過(guò)，對(duì)相對(duì)重要的款項(xiàng)則有較大篇幅的說(shuō)明，如試樣要求及試驗(yàn)程序等?？偟膩?lái)說(shuō)，ASTM E606和GB/T 15248標(biāo)準(zhǔn)完整詳實(shí)，要求也更高，是目前國(guó)內(nèi)常用的低周疲勞試驗(yàn)方法[6]。

2 試樣要求

ASTM E606—2012和GB/T 15248—2008標(biāo)準(zhǔn)中給出的推薦試樣都是等截面試樣和漏斗形試樣。等截面試樣通常用于約2%以內(nèi)的總應(yīng)變范圍；漏斗形試樣則用于總應(yīng)變范圍大于2%的試驗(yàn)。另外還給出了可用的板材試樣設(shè)計(jì)。GB/T 26077—2010中推薦了圓柱形試樣和厚度在2.5 mm以下、介于2.5～5.0 mm之間以及5.0 mm以上的板狀試樣，并作了詳細(xì)的尺寸規(guī)定。這里對(duì)三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中等截面圓柱形試樣要求作比較，具體見(jiàn)表1。

表1 等截面試樣尺寸及要求對(duì)比

選取試樣標(biāo)距長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)注意至少大于引伸計(jì)的標(biāo)距，標(biāo)距長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)極易導(dǎo)致試樣失穩(wěn)。建議采用GB/T 15248規(guī)定的范圍為1d～3d的標(biāo)距長(zhǎng)度，相較于其他標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)距長(zhǎng)度在實(shí)際試驗(yàn)中適用范圍更廣，且失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較低。為降低在試樣標(biāo)距外發(fā)生失效的風(fēng)險(xiǎn)，平行段長(zhǎng)度不應(yīng)超出標(biāo)距長(zhǎng)度0.5d。

三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣的數(shù)量要求各不相同。GB/T 26077—2010要求試樣數(shù)量至少8件，得到的疲勞應(yīng)變-壽命曲線圖在循環(huán)次數(shù)上最少應(yīng)覆蓋3個(gè)數(shù)量級(jí)。ASTM E606—2012規(guī)定最少10件試樣，GB/T 15248—2008則要求12～15件試樣用于測(cè)定應(yīng)力/應(yīng)變-壽命曲線，并選取幾級(jí)應(yīng)力/應(yīng)變水平，分別測(cè)定其失效循環(huán)數(shù)。試樣數(shù)量直接影響試驗(yàn)置信度以及后續(xù)的可靠性設(shè)計(jì)，試樣過(guò)少易導(dǎo)致結(jié)果可靠性低；試樣數(shù)量多可以提高試驗(yàn)精度，卻會(huì)增加時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)需綜合考慮，選取合適數(shù)量。

疲勞試驗(yàn)中，試樣的制備過(guò)程，包括取樣、標(biāo)記、機(jī)加工、表面制備、儲(chǔ)存及運(yùn)輸?shù)葘?duì)試驗(yàn)結(jié)果有很大影響。其中，機(jī)加工將導(dǎo)致試樣表面形貌變化和材料性能變化，并產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而影響試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)選用適當(dāng)?shù)木庸すに嚳梢杂行p小試樣的殘余應(yīng)力。不同表面粗糙度可視作一條條尺寸不同的初始裂紋，粗糙度越高，表面狀況越差，應(yīng)力集中程度越嚴(yán)重，將導(dǎo)致疲勞壽命下降[7]。因此，要保證試樣粗糙度處于較低水平，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)粗糙度的要求都是不超過(guò)0.2 μm。三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)加工工藝提出了具體要求，對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 試樣加工工藝要求對(duì)比

標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)殘余應(yīng)力的處理要求只給出了簡(jiǎn)單說(shuō)明，GB/T 26077—2010中建議消除殘余應(yīng)力；ASTM E606—2012中要求記錄殘余應(yīng)力；GB/T 15248—2008則沒(méi)有提及殘余應(yīng)力的控制。實(shí)際試驗(yàn)中，殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度有顯著影響。一般認(rèn)為殘余拉伸應(yīng)力會(huì)降低疲勞壽命，殘余壓縮應(yīng)力則有利于提高疲勞壽命，且殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響程度大于表面粗糙度對(duì)疲勞壽命的影響[8-10]。殘余應(yīng)力影響疲勞壽命的機(jī)理主要是因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的存在改變了材料的真實(shí)應(yīng)力，影響材料的裂紋萌生阻力及其擴(kuò)展速率，最終影響試樣的疲勞壽命。此外，表面殘余應(yīng)力拉伸或壓縮狀態(tài)隨材料以及加工方式的不同而不同。不同材料，如Inconel高溫合金在加工后多呈現(xiàn)高拉伸殘余應(yīng)力水平，而鈦基合金加工后大多是殘余壓縮應(yīng)力[11]。加工方式的不同會(huì)導(dǎo)致表面殘余應(yīng)力及殘余應(yīng)力在深度方向分布的不同。硬車削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是磨削殘余應(yīng)力的3倍以上，影響深度幾乎是磨削深度的2倍；相對(duì)于研磨，車削加工產(chǎn)生的“鉤形”殘余壓縮應(yīng)力輪廓將導(dǎo)致加工表面更長(zhǎng)(40%)的疲勞壽命[12]。因此，殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響不可忽視，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要在試驗(yàn)前盡可能降低、甚至消除殘余應(yīng)力。因此，建議在標(biāo)準(zhǔn)中增加關(guān)于殘余應(yīng)力處理方法的具體說(shuō)明，建議針對(duì)不同的材料測(cè)量和記錄殘余應(yīng)力，選用適當(dāng)?shù)募庸すに囈约巴嘶鹛幚砘螂娊鈷伖鈦?lái)降低、甚至消除殘余應(yīng)力[7]。

3 試驗(yàn)設(shè)備要求

金屬材料軸向應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)中常用的試驗(yàn)設(shè)備主要包括：試驗(yàn)機(jī)、引伸計(jì)、加熱設(shè)備及監(jiān)控記錄設(shè)備。表3列出不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的要求。

表3 試驗(yàn)機(jī)要求對(duì)比

低周疲勞試驗(yàn)是一種非常復(fù)雜的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境有很大關(guān)系。ASTM E606和GB/T 15248只要求控制和記錄溫度濕度；GB/T 26077中的要求則更為嚴(yán)格，除室溫濕度外，還要求將大氣污染、外部電信號(hào)干擾、機(jī)械振動(dòng)等控制在最小限度，具體見(jiàn)表3。

在試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)變控制穩(wěn)定性要求上，GB/T 15248—2008要求相繼兩循環(huán)的重復(fù)性應(yīng)在所試應(yīng)力或應(yīng)變范圍的1%以內(nèi)，或平均范圍的0.5%以內(nèi)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)穩(wěn)定在2%以內(nèi)；ASTM E606—2012要求整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程內(nèi)穩(wěn)定在1%以內(nèi)；GB/T 26077—2010規(guī)定試驗(yàn)機(jī)的控制精度應(yīng)使在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變值的峰值誤差在1%以內(nèi)。

對(duì)于引伸計(jì)的選用規(guī)定，ASTM E606—2012中要求引伸計(jì)應(yīng)適用于長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)測(cè)量，應(yīng)滿足ASTM E83中規(guī)定的B-2級(jí)或以上。為了得到最好的結(jié)果，引伸計(jì)系統(tǒng)的最大非線性度應(yīng)該是全尺寸范圍的0.3%。GB/T 15248—2008要求應(yīng)變引伸計(jì)應(yīng)適用于長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)測(cè)量和控制，測(cè)量精度應(yīng)不低于±1%。GB/T 26077—2010中規(guī)定引伸計(jì)應(yīng)滿足GB/T 12160中規(guī)定的一級(jí)引伸計(jì)要求。引伸計(jì)與試樣連接處的幾何形狀和壓力，應(yīng)保證引伸計(jì)既不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)、又不會(huì)損傷試樣。引伸計(jì)應(yīng)能夠避免由于熱波動(dòng)而引起的信號(hào)漂移。

試驗(yàn)監(jiān)控記錄系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)及循環(huán)計(jì)數(shù)器。ASTM E606—2012和GB/T 15248—2008對(duì)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的要求很簡(jiǎn)單，而GB/T 26077—2010中給出的要求則較詳細(xì)。GB/T 26077—2010中要求用X-Y記錄儀記錄應(yīng)力應(yīng)變滯后回線，記錄器應(yīng)能記錄隨時(shí)間變化的參量(如力、應(yīng)變及溫度，以及峰谷值監(jiān)測(cè)器)，其他能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的設(shè)備也能替代上述系統(tǒng)。一般要求每個(gè)循環(huán)至少采集200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。循環(huán)計(jì)數(shù)器用于記錄應(yīng)變循環(huán)的次數(shù)。

雖然三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)同軸度的要求都是不超過(guò)5%，但其同軸度測(cè)量方法及要求各不相同。國(guó)標(biāo)中對(duì)同軸度的檢定沒(méi)有統(tǒng)一要求，而是根據(jù)試驗(yàn)機(jī)類型用途作區(qū)分[13]。對(duì)于低周疲勞試驗(yàn)所用試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)參考JJG 556—2011《軸向加力疲勞試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程》[14]，最大允許值為8%～12%。美標(biāo)中同軸度的檢定要求較為復(fù)雜，所有疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，包括ASTM E606，力控制疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E466[15]，以及蠕變-疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2714[16]，都要求參考ASTM E1012[17]拉伸試驗(yàn)機(jī)同軸度檢定標(biāo)準(zhǔn)，彎曲應(yīng)變率在5%以內(nèi)為合格。按ASTM E1012要求，在試樣中部圓周上均勻分布4片阻值相同的應(yīng)變片，在試樣的彈性范圍內(nèi)測(cè)量其彎曲應(yīng)變率(PBS)。其中:

(1)

g0=(g1+g2+g3+g4)/4

(2)

g1,3=(g1-g3)/2

(3)

g2,4=(g2-g4)/2

(4)

式中g(shù)1,g2,g3,g4——4個(gè)應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變值。

GB/T 15248中的同軸度檢測(cè)方法及要求與ASTM E606一致。GB/T 26077則要求在試樣中部圓周上取A，B，C三個(gè)平面均布4片應(yīng)變片，按下式計(jì)算最大應(yīng)變點(diǎn)處和最小應(yīng)變點(diǎn)處彎曲應(yīng)變應(yīng)小于軸向應(yīng)變的5%。

(5)

其中：

(6)

(7)

這兩種同軸度檢定思路相近，但其數(shù)值結(jié)果會(huì)有一定偏差。本文收集了幾組同軸度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對(duì)兩種同軸度檢定方法作了比較，發(fā)現(xiàn)其偏差不超過(guò)0.12%，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 同軸度校準(zhǔn)對(duì)比

4 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)過(guò)程中的溫度控制，ASTM E606—2012中要求整個(gè)標(biāo)距范圍內(nèi)的溫度應(yīng)控制在Tn±ΔT(其中，Tn為名義試驗(yàn)溫度，℃；ΔT為2 ℃或1%Tn，取兩者較大值)。GB/T 15248—2008要求試樣工作部分的溫度波動(dòng)應(yīng)不大于±2 ℃，標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)的溫度梯度應(yīng)在±2 ℃或試驗(yàn)溫度的1%，取兩者較大值。GB/T 26077—2010要求加熱應(yīng)使整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中試樣標(biāo)距部分的溫度梯度不大于3 ℃，考慮到系統(tǒng)的誤差，試樣溫度與試驗(yàn)溫度的偏差應(yīng)不大于±5 ℃。GB/T 26077—2010中還規(guī)定了試樣加熱升溫時(shí)應(yīng)避免溫度超過(guò)規(guī)定的試驗(yàn)溫度。通常采用熱電偶或其他測(cè)溫儀器對(duì)試樣標(biāo)距兩端及中間各一點(diǎn)進(jìn)行試樣溫度的測(cè)量?？梢?jiàn)，試驗(yàn)溫度超過(guò)500 ℃時(shí)，ASTM E606—2012和GB/T 15248—2008允許的溫度偏差較GB/T 26077—2010更大；溫度低于500 ℃時(shí)，GB/T 26077—2010所允許的溫度偏差更大。溫度的偏差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有重要影響，應(yīng)在所允許的范圍內(nèi)盡量控制到最小。

試驗(yàn)過(guò)程中的循環(huán)波形及應(yīng)變速率或循環(huán)頻率的控制非常關(guān)鍵。ASTM E606—2012和GB/T 15248—2008要求保持波形及應(yīng)變速率或循環(huán)頻率不變，且選用的應(yīng)變速率或頻率范圍應(yīng)確保試樣溫度升高不超過(guò)2 ℃，對(duì)于一些傳熱較差的材料，應(yīng)變速率或頻率過(guò)高將導(dǎo)致試樣燒斷而非正常斷裂。標(biāo)準(zhǔn)中推薦連續(xù)循環(huán)試驗(yàn)的三角波和周期試驗(yàn)的梯形波。GB/T 26077—2010要求試驗(yàn)過(guò)程中保持波形不變，對(duì)于連續(xù)循環(huán)試驗(yàn)，同樣推薦三角波；而對(duì)應(yīng)變速率或循環(huán)頻率，則給出了推薦范圍，對(duì)于低循環(huán)疲勞試驗(yàn)頻率范圍為0.01～1 Hz之間，對(duì)于總應(yīng)變速率來(lái)說(shuō)，其變化范圍在5×10-4～5×10-2s-1之間，對(duì)于應(yīng)變速率導(dǎo)致的升溫并沒(méi)有作具體規(guī)定。

試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試樣失效的判定影響整個(gè)試驗(yàn)。失效的定義有很多種，試樣斷裂為兩段只是其中一種情況。失效判據(jù)的選擇依賴于對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果的解釋以及被測(cè)材料的自然特征。對(duì)于失效判據(jù)的考慮，通?；谀承┈F(xiàn)象的產(chǎn)生、發(fā)展和加強(qiáng)，而這些可以被監(jiān)測(cè)到的現(xiàn)象預(yù)示著試樣將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞或瞬時(shí)失效。ASTM E606—2012,GB/T 15248—2008和GB/T 26077—2010中給出了幾種失效判定方法，具體見(jiàn)表5。

表5 失效判定條件對(duì)比

三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中失效判定的表述各有差異，但其機(jī)理相似，都依據(jù)斷裂發(fā)生、裂紋存在、模量變化及力降等方面進(jìn)行判定。國(guó)內(nèi)低周疲勞試驗(yàn)中常選取最大拉伸應(yīng)力相對(duì)于試驗(yàn)確定的水平發(fā)生某一百分?jǐn)?shù)的變化作為失效判定方法，而較少采用試樣斷裂作為判據(jù)，因?yàn)槠浯嬖趽p壞引伸計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于試驗(yàn)終止條件，GB/T 26077—2010中給出了詳細(xì)的規(guī)定；而ASTM E606—2012和GB/T 15248—2008則建議經(jīng)濟(jì)條件允許時(shí)，最好將試驗(yàn)持續(xù)到試樣斷裂。

5 試驗(yàn)報(bào)告

在試驗(yàn)報(bào)告方面，ASTM E606—2012，GB/T 15248—2008和GB/T 26077—2010中的規(guī)定大體相同，都包括試驗(yàn)?zāi)康?、材料說(shuō)明、試樣信息、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)環(huán)境說(shuō)明、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)結(jié)果表述及疲勞性能分析結(jié)果等報(bào)告。相對(duì)而言，GB/T 26077—2010的規(guī)定最為詳細(xì)，給出了具體應(yīng)記錄的內(nèi)容信息及形式；而ASTM E606—2012只是說(shuō)明了應(yīng)記錄的內(nèi)容；GB/T 15248—2008所提及內(nèi)容則更少。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，ASTM E606—2012，GB/T 15248—2008和GB/T 26077—2010這三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)報(bào)告等方面的要求大體一致，而在試樣的尺寸數(shù)量、殘余應(yīng)力處理、試驗(yàn)環(huán)境要求等方面存在差異，在試驗(yàn)機(jī)同軸度校準(zhǔn)、試驗(yàn)溫度控制等方面思路相似而具體細(xì)節(jié)有異?？偟膩?lái)說(shuō)，ASTM E606—2012和GB/T 15248—2008更為系統(tǒng)具體，款項(xiàng)多而詳盡，要求也較嚴(yán)格，而GB/T 26077—2010則相對(duì)精煉，要求較寬松。

國(guó)內(nèi)低周疲勞試驗(yàn)時(shí)常用ASTM體系的GB/T 15248—2008，和較少用到ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系的GB/T 26077—2010，這兩項(xiàng)國(guó)標(biāo)在試樣要求、設(shè)備要求、試驗(yàn)程序及試驗(yàn)報(bào)告等方面差異不大，只在一些環(huán)節(jié)如試驗(yàn)環(huán)境控制、溫度控制、殘余應(yīng)力處理等方面存在差別。而又因?yàn)樵谳S向應(yīng)力控制疲勞試驗(yàn)上已經(jīng)有了更為系統(tǒng)的GB/T 3075—2008[18]，所以建議今后在制定統(tǒng)一的指導(dǎo)低周疲勞試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以考慮合并GB/T 15248和GB/T 26077，形成一個(gè)更詳盡的軸向應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。