合金鋼材料圓棒試樣疲勞強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究大綱

1、合金鋼材料圓棒試樣疲勞強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)大綱編號(hào)：002 上海航空材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)股份有限公司Shanghai Aeronautical Materials & Structures Testing Co.,LTD2015年11月在此處鍵入合金鋼材料圓棒試樣疲勞強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)大綱簽字頁(yè)總份數(shù)：4發(fā)送單位及份數(shù)（含發(fā)文單位）：發(fā)送：東北大學(xué) 2份保存：上海航空材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)股份有限公司 2份上海航空材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)股份有限公司批 準(zhǔn)：質(zhì) 量：組 長(zhǎng)：校 對(duì)：編 寫(xiě)：編號(hào)：002版次：上海航空材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)股份有限公司技術(shù)報(bào)告，未經(jīng)批準(zhǔn)，不得復(fù)制合金鋼材料圓棒試樣疲勞強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)大綱目 錄目 錄11 試驗(yàn)

2、依據(jù)12 試驗(yàn)?zāi)康?3 試驗(yàn)內(nèi)容與要求13.1 試驗(yàn)內(nèi)容13.2 試驗(yàn)要求14 試驗(yàn)實(shí)施方案24.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)24.2 試樣形式24.3 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)與設(shè)備54.4 試驗(yàn)過(guò)程55 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與表達(dá)65.1 成組法疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理65.2 疲勞S-N曲線擬合75.3 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)表95.4 疲勞S-N曲線的繪制96 安全保護(hù)措施96.1 現(xiàn)場(chǎng)安全保護(hù)措施96.2 設(shè)備系統(tǒng)安全保護(hù)措施97 質(zhì)量與可靠性保障107.1 疲試驗(yàn)關(guān)鍵過(guò)程識(shí)別與控制107.2 合格（有效）性判定準(zhǔn)則118 技術(shù)研究報(bào)告119 進(jìn)度安排11附錄A 試驗(yàn)記錄表12合金鋼材料圓棒試樣疲勞強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)大綱111 試驗(yàn)依據(jù)本

3、試驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)來(lái)源和大綱編寫(xiě)的依據(jù)為合金鋼材料圓棒試樣疲勞強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)服務(wù)合同書(shū)。2 試驗(yàn)?zāi)康脑囼?yàn)測(cè)定室溫空氣環(huán)境、不同應(yīng)力水平下兩種材料的三種不同尺寸（標(biāo)距段直徑分別為8mm、16mm和24mm）的合金鋼材料光滑圓棒試樣和兩種不同尺寸（標(biāo)距段直徑分別為16mm和24mm）的合金鋼材料缺口圓棒試樣的恒幅載荷疲勞壽命，在此基礎(chǔ)上，繪制不同試樣的疲勞S-N曲線。3 試驗(yàn)內(nèi)容與要求3.1 試驗(yàn)內(nèi)容l 室溫空氣環(huán)境下合金鋼材料光滑圓棒試樣橫幅載荷疲勞S-N曲線測(cè)定加載波形為正弦波，加載頻率f = 20 Hz，加載應(yīng)力比R = -1，3組（中值對(duì)數(shù)疲勞壽命分別為5.0104、3.0105、5.01

4、05）應(yīng)力水平至少15個(gè)有效數(shù)據(jù)，最高壽命不超過(guò)1.0106。2種材料每種材料3種試樣（標(biāo)距段直徑分別為8mm、16mm和24mm），共計(jì)6條疲勞S-N曲線（共計(jì)108件試樣）。l 室溫空氣環(huán)境下合金鋼材料缺口圓棒試樣橫幅載荷疲勞S-N曲線測(cè)定加載波形為正弦波，加載頻率f = 20 Hz，加載應(yīng)力比R = -1，3組（中值對(duì)數(shù)疲勞壽命分別為5.0104、3.0105、5.0105）應(yīng)力水平至少15個(gè)有效數(shù)據(jù)，最高壽命不超過(guò)1.0106。2種材料每種材料2種試樣（標(biāo)距段直徑分別為16mm和24mm），共計(jì)4條疲勞S-N曲線（共計(jì)72件試樣）。3.2 試驗(yàn)要求試驗(yàn)操作人員經(jīng)嚴(yán)格的專業(yè)技能培訓(xùn)（主要

5、包括質(zhì)量管理體系知識(shí)培訓(xùn)、試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備基本操作培訓(xùn)、試驗(yàn)操作規(guī)范和試驗(yàn)紀(jì)律培訓(xùn)、試驗(yàn)安全培訓(xùn)等培訓(xùn)內(nèi)容），取得上崗資質(zhì)后方可進(jìn)行試驗(yàn)操作；疲勞試驗(yàn)機(jī)經(jīng)國(guó)家法定計(jì)量部門(mén)檢定合格，滿足試驗(yàn)測(cè)量精度要求，且在有效期內(nèi)，并處于正常工作狀態(tài)。檢查和測(cè)量試驗(yàn)環(huán)境、試樣尺寸，編號(hào)并進(jìn)行記錄；試驗(yàn)時(shí)，隨機(jī)地選取試件；在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的要求控制試驗(yàn)條件，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，以保證獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性；做好試驗(yàn)原始記錄，包括試樣種類、數(shù)量、試驗(yàn)結(jié)果及失效模式，給出必要照片。按照合同時(shí)間進(jìn)度要求完成各項(xiàng)研究工作，即受托方（乙方）在收到委托方（甲方）試樣后5個(gè)月內(nèi)完成所有的試驗(yàn)內(nèi)容并交付所有原始試驗(yàn)

6、數(shù)據(jù)，提交詳細(xì)試驗(yàn)報(bào)告，交回試驗(yàn)用試樣，并保留疲勞試樣斷口。4 試驗(yàn)實(shí)施方案4.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，即GB3075-2008金屬疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法，試驗(yàn)在10噸到100噸MTS液壓伺服材料疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載波形為正弦波，加載頻率為f = 20 Hz，試驗(yàn)應(yīng)力比R = -1；試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足中值對(duì)數(shù)疲勞壽命（應(yīng)力循環(huán)數(shù)）和99%可靠度和95%置信度疲勞壽命（應(yīng)力循環(huán)數(shù)）要求，個(gè)別情況經(jīng)與委托方（甲方）協(xié)商后可適當(dāng)調(diào)整。4.2 試樣形式采用如圖1至圖5所示的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)件數(shù)量和技術(shù)狀態(tài)如表1和表2所示，疲勞試樣取向與加載方向一致。圖1 標(biāo)距段直徑為8mm的光滑圓棒疲勞試樣圖

7、2 標(biāo)距段直徑為16mm的光滑圓棒疲勞試樣圖3 標(biāo)距段直徑為24mm的光滑圓棒疲勞試樣圖4 標(biāo)距段直徑為16mm的缺口圓棒疲勞試樣圖5 標(biāo)距段直徑為24mm的缺口圓棒疲勞試樣表1 試樣件數(shù)量和技術(shù)狀態(tài)編號(hào)試樣類型材料試件圖試樣數(shù)量1光滑圓棒試樣20CrMnTiH圖1182光滑圓棒試樣20MnTiB圖1183光滑圓棒試樣20CrMnTiH圖2184光滑圓棒試樣20MnTiB圖2185光滑圓棒試樣20CrMnTiH圖3186光滑圓棒試樣20CrMnTiH圖3187缺口圓棒試樣20CrMnTiH圖4188缺口圓棒試樣20MnTiB圖4189缺口圓棒試樣20CrMnTiH圖51810缺口圓棒試樣20M

8、nTiB圖518表2 試樣尺寸光滑圓棒試樣試件圖試樣總長(zhǎng)度L / mm夾持段長(zhǎng)度l / mm標(biāo)距段直徑d / mm加持段直徑d1 / mm圖120076.68（應(yīng)65）816圖224080.96（應(yīng)72）1628圖331086.77（應(yīng)82.5）2448缺口圓棒試樣試件圖試樣總長(zhǎng)度L / mm夾持段長(zhǎng)度l / mm無(wú)缺口處直徑d / mm缺口半徑r / mm圖420096.8163.2圖520095.2244.84.3 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)與設(shè)備5噸到100噸MTS液壓伺服材料疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)量精度如表3所列，靜載誤差不超過(guò)1%；動(dòng)載誤差不超過(guò)3%，由國(guó)家法定計(jì)量部門(mén)檢定合格，且在有效期內(nèi)（見(jiàn)附件）。實(shí)驗(yàn)

9、室定期對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和檢定，保證設(shè)備正常運(yùn)行。表3 疲勞試驗(yàn)機(jī)及其它試驗(yàn)設(shè)備序號(hào)產(chǎn)品名稱規(guī)格型號(hào)最大量程數(shù)量靜載誤差動(dòng)載誤差1液壓伺服材料疲勞試驗(yàn)機(jī)MTS5噸1小于1%小于3%2液壓伺服材料疲勞試驗(yàn)機(jī)MTS10噸2小于1%小于3%3液壓伺服材料疲勞試驗(yàn)機(jī)MTS25噸1小于1%小于3%4液壓伺服材料疲勞試驗(yàn)機(jī)MTS50噸1小于1%小于3%5液壓伺服材料疲勞試驗(yàn)機(jī)MTS100噸1小于1%小于3%4.4 試驗(yàn)過(guò)程4.4.1 試驗(yàn)參數(shù)選擇按照委托方（甲方）提供材料的強(qiáng)度極限b和試樣的有效面積（凈面積），估算試樣的破壞載荷，名義應(yīng)力定義為載荷除以試樣最大應(yīng)力處凈面積。再指定疲勞載荷進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采用

10、單點(diǎn)法，根據(jù)疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)整疲勞載荷，確定S-N曲線的趨勢(shì)。選擇合適的疲勞壽命（中值對(duì)數(shù)疲勞壽命分別在5.0104、3.0105、5.0105次循環(huán)左右）對(duì)應(yīng)的載荷進(jìn)行成組試驗(yàn)，每組試樣數(shù)量根據(jù)95%置信水平由變異系數(shù)CV查表確定。監(jiān)控試驗(yàn)載荷，使其滿足試驗(yàn)加載要求。4.4.2試驗(yàn)操作步驟l 疲勞試驗(yàn)操作按操作規(guī)程開(kāi)機(jī)，并預(yù)熱30分鐘。運(yùn)行疲勞試驗(yàn)程序；在試樣兩端對(duì)稱的合適位置分別畫(huà)線，方便上下左右對(duì)稱夾持試驗(yàn)件；安裝試樣應(yīng)仔細(xì)操作，使試樣與試驗(yàn)機(jī)上下夾頭保持同軸，盡量減少試樣軸向應(yīng)力以外的其它應(yīng)力；按照疲勞試驗(yàn)機(jī)操作規(guī)程，操作試驗(yàn)機(jī)，并做好相關(guān)試驗(yàn)記錄。試驗(yàn)完成后應(yīng)立即放入干燥器中，注

11、意保護(hù)斷口形貌。4.4.3 斷口處理對(duì)斷口有效性進(jìn)行判別，考核部位的斷口視為有效斷口；試驗(yàn)完成后，疲勞試樣應(yīng)立即放入干燥器中，注意保護(hù)斷口形貌。4.4.4 異常情況處理試驗(yàn)出現(xiàn)以下情況之一，終止試驗(yàn)：（1）載荷突然升高或降低（應(yīng)保持加載穩(wěn)定和避免過(guò)載引起的遲滯效應(yīng)）；（2）試驗(yàn)期間，試驗(yàn)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)暫停試驗(yàn)，待查明原因并排除故障后方可繼續(xù)試驗(yàn)；（3）試樣出現(xiàn)斷裂。5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與表達(dá)5.1 成組法疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中值對(duì)數(shù)疲勞壽命按式(1)計(jì)算 (1)式中： 每組試驗(yàn)中第i個(gè)試樣的疲勞壽命； 每組試驗(yàn)的試樣個(gè)數(shù)； 具有50%存活率的疲勞壽命。疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差按式(2)計(jì)算 (2)變異系數(shù)按

12、式(3)計(jì)算 (3)5.2 疲勞S-N曲線擬合疲勞S-N曲線由測(cè)定出的中值疲勞壽命和疲勞極限擬合而成，目前描述材料疲勞S-N曲線常用線性模型和非線性模型，兩種模型的表達(dá)式為線性模型： (4) (5)非線性模型 (6) (7)式中：， 材料在一定應(yīng)力集中系數(shù)和應(yīng)力比（或平均應(yīng)力）下的S-N曲線形狀常數(shù)； 材料一定應(yīng)力集中系數(shù)和應(yīng)力比（或平均應(yīng)力）下的疲勞極限。對(duì)于非線性模型，令，（或），則式(6)（或式(7)）可寫(xiě)成 (8)按最小二乘法可得S-N曲線的形狀參數(shù)及其與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù) (9) (10) (11)式中 (12)以上各式中、和均與有關(guān)，是的函數(shù)，則、和也是的函數(shù)，且所求必須使相關(guān)系數(shù)

13、絕對(duì)值取最大值，因此可由以下條件求得： 或 因?yàn)椋杂?(13)令 (14) (15)將式(14)和(15)代入式(13)，則 (16)設(shè) (17)設(shè)為的預(yù)估值，則當(dāng)時(shí)，；而當(dāng)時(shí)，。又因?yàn)楸匚挥趨^(qū)間內(nèi)，為數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)力的最小值，所以可以很容易地用二分法求得。求得、和后，通過(guò)式(9)和式(10)可求出和。按上述數(shù)據(jù)處理方法，處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到S-N曲線。5.3 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)表試驗(yàn)數(shù)據(jù)表包含以下信息：（1）試驗(yàn)主要參數(shù)（載荷類型、大小、頻率、應(yīng)力比等）；（2）試驗(yàn)環(huán)境條件（溫度、相對(duì)濕度和介質(zhì)等）；（3）發(fā)現(xiàn)光滑試樣是否出現(xiàn)屈服變形；（4）斷裂形貌的簡(jiǎn)明描述；（5）試驗(yàn)中的異常情況及其原因。5.4 疲

14、勞S-N曲線的繪制將相同類型不同標(biāo)距段直徑試樣的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合曲線繪制在同一幅疲勞S-N曲線圖上。圖中應(yīng)力縱軸采用線性坐標(biāo)，疲勞壽命橫軸采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，圖線坐標(biāo)形式如圖6所示。圖6 疲勞S-N曲線坐標(biāo)形式6 安全保護(hù)措施6.1 現(xiàn)場(chǎng)安全保護(hù)措施為防止試驗(yàn)件和加載設(shè)備意外損傷傷人，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立安全區(qū)，設(shè)置安全防護(hù)隔離屏， 50%極限載荷后參試人員全部撤離到安全區(qū)域。6.2 設(shè)備系統(tǒng)安全保護(hù)措施試驗(yàn)采用的加載控制系統(tǒng)具有完善的安全保護(hù)措施，試驗(yàn)前應(yīng)設(shè)置好各種保護(hù)值，以確保試驗(yàn)件不發(fā)生非正常破壞。如出現(xiàn)故障，按本實(shí)驗(yàn)室規(guī)定程序處理，并填寫(xiě)故障糾正/預(yù)防措施處理單。l 超限保護(hù)試驗(yàn)控制系統(tǒng)具有超限保

15、護(hù)功能，包括定力限和定力衰減率限。定力限設(shè)為力傳感器的滿量程，當(dāng)載荷達(dá)到此限時(shí)，試驗(yàn)自動(dòng)停止。定力衰減率限設(shè)為40%，當(dāng)超過(guò)此限時(shí)，試驗(yàn)自動(dòng)停止。l 限位保護(hù)設(shè)置移動(dòng)橫梁的限位裝置，將下限位塊設(shè)定在剛好低于開(kāi)始的位置，上限位塊設(shè)定在拉伸方向上剛好超過(guò)期望的最大行程的位置，當(dāng)移動(dòng)橫梁接觸到上限位塊或下限位塊時(shí)，移動(dòng)橫梁都會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)系統(tǒng)報(bào)警，終止試驗(yàn)。l 應(yīng)急按鈕試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安放應(yīng)急停止按鈕，出現(xiàn)緊急情況，由現(xiàn)場(chǎng)指揮按下試驗(yàn)機(jī)上的紅色“緊急停止”按鈕，終止試驗(yàn)，并拔出電源插頭，斷開(kāi)測(cè)試系統(tǒng)的電源。7 質(zhì)量與可靠性保障7.1 疲試驗(yàn)關(guān)鍵過(guò)程識(shí)別與控制疲試驗(yàn)關(guān)鍵過(guò)程識(shí)別與控制見(jiàn)表4。表4 疲勞試驗(yàn)關(guān)

16、鍵過(guò)程控制明細(xì)表序號(hào)關(guān)鍵過(guò)程控制點(diǎn)控制要求質(zhì)量影響程度監(jiān)控方式及實(shí)施步驟責(zé)任人3試驗(yàn)夾頭或夾具試驗(yàn)中監(jiān)控試樣夾緊狀況影響試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)夾具充分考慮材料強(qiáng)度與試樣形式，具有裝卸簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)，靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度均有較大安全余量4試樣同軸度監(jiān)控試驗(yàn)中監(jiān)控試驗(yàn)載荷同軸度影響試驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的要求安裝試驗(yàn)件，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，保證試驗(yàn)夾具、試件和加載方向的同軸度5試驗(yàn)過(guò)程載荷監(jiān)控試驗(yàn)中對(duì)試驗(yàn)載荷進(jìn)行監(jiān)控影響試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)前控制系統(tǒng)設(shè)置載荷極限，試驗(yàn)中實(shí)時(shí)監(jiān)控載荷，定期檢查試驗(yàn)異常情況，保證試驗(yàn)載荷在允許的誤差范圍內(nèi)7.2 合格（有效）性判定準(zhǔn)則l 滿足下列所有條件的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)視為有效：試樣經(jīng)

17、疲勞試驗(yàn)后發(fā)生斷裂；試樣斷口發(fā)生在合理斷裂部位。8 技術(shù)研究報(bào)告試驗(yàn)結(jié)束后，按合金鋼材料圓棒試樣疲勞強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)服務(wù)合同書(shū)相關(guān)要求編寫(xiě)試驗(yàn)報(bào)告。包括一下信息：（1）試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)；（2）試樣的材料特性、尺寸特征、加工工藝、表面狀態(tài)及熱處理；（3）實(shí)際試驗(yàn)試樣數(shù)量及其確定原則；（4）每個(gè)試樣的實(shí)測(cè)尺寸、載荷狀態(tài)、應(yīng)力條件、加載頻率、疲勞壽命、試驗(yàn)機(jī)型號(hào)及參數(shù)、試驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)室溫濕度、全套試驗(yàn)數(shù)據(jù)原始記錄、試驗(yàn)結(jié)束判據(jù)、失效模式、斷口特征以及特殊現(xiàn)象；（5）試驗(yàn)測(cè)定的S-N曲線及其表達(dá)式；（6）合金鋼材料圓棒試樣疲勞強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究報(bào)告。9 進(jìn)度安排2015.11，制定研究方案，提交試驗(yàn)研究大綱；2015.01-20