《耐高溫金屬材料熱疲勞性能評(píng)價(jià)方法》（征求意見(jiàn)稿）

XXXXX

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

__________________________________________________________

XXXXXXX—xxxx

耐高溫金屬材料熱疲勞性能

評(píng)價(jià)方法

Evaluationmethodforthermalfatigueperformanceof

hightemperatureresistantmetalmaterials

（征求意見(jiàn)稿）

2023-xx-xx發(fā)布山東省特種設(shè)備協(xié)會(huì)發(fā)布202x-xx-xx實(shí)施

目次

1范圍...............................................................................................................................................2

2規(guī)范性引用文件............................................................................................................................2

3術(shù)語(yǔ)和定義....................................................................................................................................3

4基本規(guī)定........................................................................................................................................4

5熱疲勞試樣....................................................................................................................................4

5.1一般規(guī)定.....................................................................................................................................4

5.2試樣尺寸.....................................................................................................................................4

5.3試樣表面質(zhì)量及位置公差..........................................................................................................5

5.4初始微觀組織調(diào)控.....................................................................................................................5

6熱疲勞測(cè)試....................................................................................................................................5

6.1溫度控制.....................................................................................................................................5

6.2裝置調(diào)節(jié).....................................................................................................................................5

6.3熱疲勞實(shí)驗(yàn).................................................................................................................................6

7熱疲勞性能評(píng)價(jià)............................................................................................................................6

7.1微觀組織演化.............................................................................................................................6

7.2缺陷演化.....................................................................................................................................6

7.3微裂紋擴(kuò)展.................................................................................................................................7

7.4斷裂機(jī)制.....................................................................................................................................7

7.5疲勞壽命.....................................................................................................................................7

I

耐高溫金屬材料熱疲勞性能評(píng)價(jià)方法

1范圍

本標(biāo)準(zhǔn)適用于高溫合金、耐熱鋼、難熔金屬和金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料等耐高溫金屬

材料試樣軸向應(yīng)變和位移控制的熱疲勞試驗(yàn)，規(guī)定了具有一定標(biāo)距長(zhǎng)度的圓形、矩形橫

截面試樣在高溫條件下熱疲勞性能評(píng)價(jià)應(yīng)遵守的基本守則、失效判斷、評(píng)價(jià)要求。

產(chǎn)品構(gòu)件和其他特殊形狀試樣的熱疲勞性能評(píng)價(jià)方法可參照本標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注

日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版

本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T6398-2017金屬材料疲勞試驗(yàn)疲勞裂紋擴(kuò)展方法

GB/T33812-2017金屬材料疲勞試驗(yàn)應(yīng)變控制熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)方法

GB/T41154-2021金屬材料多軸疲勞試驗(yàn)軸向-扭轉(zhuǎn)應(yīng)變控制熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)方

法

GB/T37306.1-2019金屬材料疲勞試驗(yàn)變幅疲勞試驗(yàn)第1部分：總則、試驗(yàn)方法

和報(bào)告要求

GB/T37306.2-2019金屬材料疲勞試驗(yàn)變幅疲勞試驗(yàn)第2部分：循環(huán)計(jì)數(shù)和相關(guān)

數(shù)據(jù)縮減方法

GB/T38822-2020金屬材料蠕變-疲勞試驗(yàn)方法

GB/T12443-2017金屬材料扭矩控制疲勞試驗(yàn)方法

GB/T4337-2015金屬材料疲勞試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲方法

GB/Z40387-2021金屬材料多軸疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

GB/T3075-2021金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法

GB/T26077-2021金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向應(yīng)變控制方法

GB/T15824-2008熱作模具鋼熱疲勞試驗(yàn)方法

GB/T38250-2019金屬材料疲勞試驗(yàn)機(jī)同軸度的檢驗(yàn)

GB/T26076-2010金屬薄板（帶）軸向力控制疲勞試驗(yàn)方法

GB/T40410-2021金屬材料多軸疲勞試驗(yàn)軸向-扭轉(zhuǎn)應(yīng)變控制方法

GB/T37616-2019鋁合金擠壓型材軸向力控制疲勞試驗(yàn)方法

2

GB/T24176-2009金屬材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法

GB/T25917.1-2019單軸疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)第1部分：動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)

GB/T25917.2-2019單軸疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)第2部分：動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置用儀器

GB/T15248-2008金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法

T/CFA010604-1-2012鑄造磨球沖擊疲勞壽命試驗(yàn)方法

ISO12108:2018Metallicmaterials—Fatiguetesting—Fatiguecrackgrowthmethod

ISO12111:2011Metallicmaterials—Fatiguetesting—Strain-controlled

thermomechanicalfatiguetestingmethod

ISO12110-1:2013Metallicmaterials—Fatiguetesting—Variableamplitudefatigue

testing—Part1:Generalprinciples,testmethodandreportingrequirements

ISO12110-2:2013Metallicmaterials—Fatiguetesting—Variableamplitudefatigue

testing—Part2:Cyclecountingandrelateddatareductionmethods

ISO1143:2021Metallicmaterials—Rotatingbarbendingfatiguetesting

ISO1352:2011Metallicmaterials—Torque-controlledfatiguetesting

ISO22407:2021Metallicmaterials—Fatiguetesting—Axialplanebendingmethod

3術(shù)語(yǔ)和定義

3.1高溫合金superalloy

以鐵、鎳、鈷為基，能在600°C以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類金屬材料，

具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜

合性能。

3.2耐熱鋼heat-resistantsteel

在高溫下具有較高的強(qiáng)度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性的合金鋼。

3.3難熔金屬refractorymetal

常指鎢、鉬、鈮、鉭、釩、鋯，也可以包括錸和鉿。這類金屬的特點(diǎn)為熔點(diǎn)高、硬度大、

抗蝕性強(qiáng)，多數(shù)能同碳、氮、硅、硼等生成高熔點(diǎn)、高硬度并肯有良好化學(xué)穩(wěn)定性的化

合物。

3.4金屬間化合物intermetalliccompound

金屬與金屬或金屬與類金屬(如H、B、N、S、P、C、Si等)形成的化合物。

3.5軸向應(yīng)變axialstrain

與外力同方向的伸長(zhǎng)(或壓縮)方向上的應(yīng)變稱為軸向應(yīng)變。

3.6疲勞fatigue

3

材料、零件和構(gòu)件在循環(huán)加載下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循

環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完全斷裂的現(xiàn)象。

3.7粗糙度roughness

加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度。

3.8平行度Parallelism

兩平面或者兩直線平行的程度，指一平面（邊）相對(duì)于另一平面（邊）平行的誤差最大

允許值。

3.9垂直度Verticality

限制實(shí)際要素對(duì)基準(zhǔn)在垂直方向上變動(dòng)量的一項(xiàng)指標(biāo)。

3.10同軸度Concentricity

表示零件上被測(cè)軸線相對(duì)于基準(zhǔn)軸線，保持在同一真線上的狀況。也就是通常所說(shuō)的共

軸程度。

3.11缺陷defect

指晶體里面的孔洞、微裂紋等缺陷。

3.12疲勞裂紋擴(kuò)展fatiguecrackgrowth

承受結(jié)構(gòu)或元件，由于交變載荷的作用，或者由于載荷和環(huán)境侵蝕的聯(lián)合作用，會(huì)產(chǎn)生

微小的裂紋，裂紋將隨著交變載荷周次的增加或環(huán)境侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸擴(kuò)展。隨著

裂紋尺寸增大，結(jié)構(gòu)或元件的剩余強(qiáng)度逐步減小，最后導(dǎo)致斷裂。

4基本規(guī)定

4.1疲勞測(cè)試時(shí)遵循GB/T26077-2021的要求，保證疲勞測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性。

4.2疲勞測(cè)試人員經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，應(yīng)熟練掌握疲勞測(cè)試的操作規(guī)范，熟悉疲勞測(cè)試設(shè)

備的使用要求和操作方法。

5熱疲勞試樣

5.1一般規(guī)定

為保證耐高溫金屬材料熱疲勞測(cè)試的便捷性，本標(biāo)準(zhǔn)推薦使用圓柱形試樣或矩形試

樣。

5.2試樣尺寸

為保證耐高溫金屬材料疲勞性能數(shù)據(jù)的有效性，規(guī)定除構(gòu)件外，耐高溫金屬材料標(biāo)

準(zhǔn)疲勞試樣形狀尺寸應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)定

5.2.1圓棒狀試樣標(biāo)距段直徑d為5~10mm，標(biāo)距段長(zhǎng)度L=3d±d，過(guò)渡圓弧半徑

4

r≥2d。

5.2.2矩形試樣標(biāo)距段厚度t為2.5~5mm，標(biāo)距段長(zhǎng)度L=3t±t，寬度w=2t，過(guò)渡

圓弧r≥2w。

5.3試樣表面質(zhì)量及位置公差

5.3.1熱疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有分散性，為減少試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度的影響因素，需要保證熱

疲勞試樣表面的粗糙度。熱疲勞試樣標(biāo)距區(qū)域需要使用水砂紙從240#逐級(jí)打磨至5000#，

粗糙度優(yōu)于0.08。

5.3.2試樣平行度優(yōu)于0.03。

5.3.3試樣垂直度優(yōu)于0.03。

5.3.4試樣同軸度優(yōu)于0.03。

5.4初始微觀組織調(diào)控

5.4.1為了調(diào)控耐高溫金屬材料的初始微觀組織，采用真空熱處理工藝。

5.4.2根據(jù)具體材料實(shí)施相應(yīng)的熱處理溫度和保溫時(shí)間。

5.4.3采用金相顯微鏡表征金屬材料的金相組織，包括其晶粒尺寸及分布。

5.4.4采用掃描電子顯微鏡表征金屬材料微觀組織中微米尺度的第二相等組織特

征，包括其粒徑、體積含量、形貌及分布。

5.4.5采用電子背散射衍射表征金屬材料微觀組織織構(gòu)、取向等特征，包括Kernel

averagemisorientation(KAM)，施密特因子(Schimidfactor)及泰勒因子(Taylorfactor)等。

5.4.6采用透射電子顯微鏡表征金屬材料微觀組織中納米尺度的第二相等組織特

征，包括其粒徑、體積含量、形貌及分布。

6熱疲勞測(cè)試

6.1溫度控制

6.1.1三段控溫高溫爐對(duì)試件溫度采用串級(jí)控制，優(yōu)化溫度梯度。

6.1.2為保證疲勞試樣在恒溫條件下開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，規(guī)定溫度測(cè)量位置處于疲勞試

樣標(biāo)距段附近，溫度波動(dòng)范圍小于±2°C。

6.2裝置調(diào)節(jié)

6.2.1保證熱疲勞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的同軸度，疲勞機(jī)加載系統(tǒng)、試樣臺(tái)、試樣夾具等部

件必須精密配合，盡量消除連接件之間的間隙，能夠穩(wěn)定有效夾持疲勞試樣，保證疲勞

試樣安裝后同軸度優(yōu)于0.08mm。

6.2.2為實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)熱疲勞試樣表面的應(yīng)變演化行為，熱疲勞試驗(yàn)裝置必須配

5

置數(shù)字圖像相關(guān)裝置，主要包括高速攝像機(jī)、冷光源、支架、數(shù)據(jù)檢測(cè)及處理軟件等。

6.2.3為保證試驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性與可靠性，應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定定期對(duì)疲勞機(jī)力傳感器、

位移傳感器、高精度線性可變差動(dòng)變壓位移傳感器、壓力傳感器等，進(jìn)行準(zhǔn)確度校正。

6.3熱疲勞實(shí)驗(yàn)

6.3.1熱疲勞實(shí)驗(yàn)遵循GB/T26077-2021執(zhí)行。

6.3.2熱疲勞試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)記錄耐高溫金屬材料熱疲勞試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變，評(píng)價(jià)

初始微觀組織及測(cè)試條件等對(duì)熱疲勞過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變演化的影響。

6.3.3通過(guò)熱疲勞試驗(yàn)機(jī)記錄的每組試樣測(cè)試的疲勞壽命，構(gòu)建疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，

評(píng)價(jià)熱疲勞性能的優(yōu)劣。

6.3.4數(shù)字圖像相關(guān)裝置規(guī)定拍攝速率不少于10張/秒，用于精確評(píng)價(jià)初始微觀組

織及測(cè)試條件等對(duì)熱疲勞過(guò)程疲勞試樣表面的應(yīng)變演化情況。

6.3.5考慮到耐高溫金屬材料局域微觀組織不均勻性的存在，每一組試驗(yàn)備3個(gè)平

行試樣，以保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性和可靠性。

7熱疲勞性能評(píng)價(jià)

7.1微觀組織演化

7.1.1為了評(píng)價(jià)耐高溫金屬材料熱疲勞過(guò)程中微觀組織的演化情況，開(kāi)展熱疲勞中

斷實(shí)驗(yàn)，采用掃描電子顯微鏡、電子背散射衍射、透射電子顯微鏡等從二維靜態(tài)角度表

征評(píng)價(jià)初始微觀組織及測(cè)試條件等對(duì)金屬材料熱疲勞過(guò)程位錯(cuò)、滑移帶等微觀組織演化

行為的影響。

7.1.2依據(jù)合金的初始微觀組織特征，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件LAMMPS建立合

適的原子結(jié)構(gòu)模型，選擇適合模擬體系的勢(shì)函數(shù)、系綜(正則系綜，微正則系綜，巨正

則系綜，等溫等壓系綜)及邊界條件(周期性邊界，非周期性邊界)，并對(duì)原子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)

行能量最小化及弛豫處理。在模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，沿一定方向施加疲勞載荷，并控制應(yīng)變

速率及應(yīng)變幅進(jìn)行疲勞過(guò)程中的微觀組織演化模擬，如位錯(cuò)密度、層錯(cuò)數(shù)量、孿晶數(shù)量，