CSTM 金屬材料 十字形面內(nèi)雙軸拉-壓疲勞試驗方法（征求意見稿）編制說明

一、工作簡況

1、任務(wù)來源

本項目是依據(jù)中國材料與試驗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會（以下簡稱：CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員

會）鋼鐵材料領(lǐng)域委員會綜合[2021]248號文“關(guān)于CSTM標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料十

字形面內(nèi)雙軸拉/壓疲勞試驗方法》的立項公告”下達(dá)的項目計劃，項目編號為

CSTMLX010000831—2021，項目名稱為“金屬材料十字形面內(nèi)雙軸拉/壓疲勞

試驗方法”。本項目是制定項目。主要起草單位:天津大學(xué)等。計劃完成時間為2022

年。

2、主要工作過程

起草(草案、調(diào)研)階段:計劃下達(dá)后，2021年8月CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會鋼鐵材

料領(lǐng)域委員會組織各起草單位成立了起草工作組，由天津大學(xué)牽頭成立了標(biāo)準(zhǔn)編

制工作組，負(fù)責(zé)主要起草工作。工作組對國內(nèi)外金屬材料十字形面內(nèi)雙軸拉/壓

疲勞試驗方法的現(xiàn)狀與發(fā)展情況進(jìn)行全面調(diào)研，同時廣泛搜集相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外

技術(shù)資料，進(jìn)行了大量的研究分析、資料查證工作，結(jié)合實際應(yīng)用經(jīng)驗，進(jìn)行全

面總結(jié)和歸納，在此基礎(chǔ)上編制出《金屬材料十字形面內(nèi)雙軸拉/壓疲勞試驗方

法》標(biāo)準(zhǔn)草案初稿。經(jīng)工作組及有關(guān)專家研討后，對標(biāo)準(zhǔn)草案初稿進(jìn)行了認(rèn)真的

修改，于2022年4月形成了標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿及其編制說明等相關(guān)附件，報全國

鋼標(biāo)委第一分委員會秘書處。

征求意見階段:2022年4月18日，由CSTM鋼鐵材料領(lǐng)域委員會秘書處將

標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿和編制說明發(fā)送到全國鋼標(biāo)委力學(xué)分委員會委員及有代表性的

標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)方廣泛征求意見，同時在《鋼鐵標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)》網(wǎng)站上公開征求社會意見，為

期1個月時間。

3、主要參加單位和工作組成員及其所做的工作

本標(biāo)準(zhǔn)由天津大學(xué)等單位共同起草。

主要成員:

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則

本標(biāo)準(zhǔn)在制定過程中，遵循“面向市場、服務(wù)產(chǎn)業(yè)、自主制定、適時推出、

及時修訂、不斷完善”的原則，注重標(biāo)準(zhǔn)修訂與技術(shù)創(chuàng)新、試驗驗證、產(chǎn)業(yè)推進(jìn)、

應(yīng)用推廣相結(jié)合，本著先進(jìn)性、科學(xué)性、合理性和可操作性以及標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)、統(tǒng)

一性、協(xié)調(diào)性、適用性、一致性和規(guī)范性的原則來進(jìn)行本標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

本標(biāo)準(zhǔn)在起草過程中主要按GB/T1.1-2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分:標(biāo)準(zhǔn)

的結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)則》的要求編寫。在確定本標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)指標(biāo)時，綜合考慮生產(chǎn)

企業(yè)的能力和用戶的利益，尋求最大的經(jīng)濟、社會效益，充分體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)

上的先進(jìn)性和合理性。

三、主要內(nèi)容說明

1、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

1.1范圍

相比其他雙軸試驗方法，十字形雙軸拉/壓疲勞試驗的最大優(yōu)勢在于可以精

確實現(xiàn)任意復(fù)雜加載路徑和加載波形下的應(yīng)力應(yīng)變采集，同時配合相應(yīng)試驗設(shè)備

可以實現(xiàn)高溫試驗。所以標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍包括了金屬板材在室溫及高溫下采用十

字形試樣進(jìn)行的雙軸拉/壓疲勞試驗，加載模式包括比例加載和復(fù)雜路徑下的非

比例加載。

1.2術(shù)語和定義

該部分基于試驗需求列舉了十字形試樣幾何結(jié)構(gòu)和DIC應(yīng)變測量系統(tǒng)的相關(guān)

術(shù)語，并進(jìn)行了定義。此外，為了增強對復(fù)雜路徑多軸非比例加載條件的理解，

提高雙軸原位加載試驗試驗設(shè)計能力，本文件增加了四個術(shù)語，并進(jìn)行了定義：

雙軸疲勞試驗（biaxialfatiguetest）：試樣在加載過程中兩個主應(yīng)力或主應(yīng)變的方

向和幅值隨時間有規(guī)律的變化的力學(xué)試驗。

非比例加載（non-proportionalloading）：試樣在加載過程中主應(yīng)力或主應(yīng)變的方

向隨時間的改變而發(fā)生變化的加載條件。

加載路徑（loadingpath）：對試樣施加的載荷在應(yīng)力空間中的軌跡。

原位加載（Insituloading）：無論在何種加載模式和任意變形階段下，十字形試

樣的中心位置均保持不變的加載過程。

1.3試驗原理

試驗原理章節(jié)簡要描述了雙軸疲勞試驗機通過兩組正交加載軸對十字形試

樣施加雙軸復(fù)雜疲勞載荷的試驗流程。應(yīng)用了高溫變形補償法和平均應(yīng)力設(shè)置準(zhǔn)

則，幫助標(biāo)準(zhǔn)使用人員在實驗中避免試樣失穩(wěn)現(xiàn)象。

1.4儀器和設(shè)備

1)規(guī)定了雙軸疲勞試驗機的結(jié)構(gòu)和形式。為了保證雙軸疲勞試驗機在復(fù)雜路徑

非比例循環(huán)加載條件下的控制精度，規(guī)定各軸向的位移控制精度不低于±

0.05mm，最高動態(tài)頻率不低于10Hz。

2)為了在高頻循環(huán)加載試驗中準(zhǔn)確采集試驗數(shù)據(jù)，不丟失關(guān)鍵數(shù)據(jù)點。規(guī)定控

制器的采樣頻率不低于1000Hz，同時載荷傳感器精度應(yīng)不低于±1%FS，精度

范圍宜在1%-100%FS內(nèi)，且最大測量范圍應(yīng)滿足試驗需要。

3)規(guī)定了適用于十字形試樣的夾具的形式。對于高溫試驗，則推薦采用水冷夾

具，夾具的形式如圖1所示。為了避免試樣在拉-壓疲勞實驗中失穩(wěn)，推薦在

實驗中采用抗屈曲夾具，夾具的形式如圖2所示。

4)推薦在十字形面內(nèi)雙軸拉/壓試驗中采用DIC系統(tǒng)或電阻應(yīng)變計測量應(yīng)變。其

中，電阻應(yīng)變計的粘貼應(yīng)遵循以下步驟：

1貼片前根據(jù)試樣材料選擇800~1000目的砂紙，除去中心減薄區(qū)表面油污、

銹斑、氧化膜等，并打磨出與貼片方向呈45°的交叉條紋。打磨后可用丙

酮、無水乙醇等有機溶劑單方向清洗打磨部位，并用無水乙醇洗至棉球上

不見任何污漬為止；

2將應(yīng)變計放在清潔的聚四氟乙烯薄膜上，用浸有少量無水乙醇的棉簽輕輕

擦洗兩個表面，將粘貼面朝上晾干備用；

3在中心減薄區(qū)的貼片位置涂刷適量粘接劑，將應(yīng)變計準(zhǔn)確貼在該位置上。

4在應(yīng)變計上蓋上一層聚四氟乙烯薄膜，沿應(yīng)變計軸線方向滾壓1~2min，排

凈氣泡并擠出多余的粘接劑。

5待粘接劑干燥，從無引線的一端揭起聚四氟乙烯薄膜，用力方向盡量與粘

貼方向齊平，以防帶起電阻應(yīng)變計。

5)加熱系統(tǒng)建議優(yōu)先采用電阻絲或加熱棒對中心減薄區(qū)范圍進(jìn)行加熱。

圖1水冷夾具

圖2抗屈曲夾具

1.5試樣

1)雙軸疲勞十字形試樣的形式如圖3所示，本文件規(guī)定了推薦的幾何尺寸和公

差要求。為了防止試樣在高周次循環(huán)加載過程中滑脫，在試樣的夾持端增加

了緊固螺栓孔。在試樣中心增加了中心減薄區(qū)以獲得更好的變形能力和均勻

的應(yīng)變場。為了避免材料微觀組織影響試驗結(jié)果的重復(fù)性，規(guī)定試樣中心減

薄區(qū)的厚度不小于0.3倍的試樣厚度。

圖3雙軸疲勞十字形試樣

2)雙軸裂紋擴展十字形試樣的形式如圖4所示，本文件規(guī)定了推薦的幾何尺寸

和公差要求。為了獲得更加精確和均勻的應(yīng)力應(yīng)變場，在試樣臂上增加了開

縫。中心減薄區(qū)的面積更大，與試樣臂同寬，以便于觀測試樣中心的裂紋擴

展情況。

圖4雙軸裂紋擴展十字形試樣

3)十字形試樣的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工流程繁瑣，本文件規(guī)定了十字形試樣的制

備流程，便于標(biāo)準(zhǔn)使用人員加工試樣。包括取樣和標(biāo)記、機加工程序、試樣

的表面狀態(tài)、尺寸檢查和存放及運輸。

1.6試驗步驟和試驗報告

該部分規(guī)定了試驗中應(yīng)遵循的流程和試驗報告的內(nèi)容，著重介紹了雙軸載荷

影響下的試樣尺寸測定、加載波形控制和失效定義。

1.7附錄A基于有限元分析的十字形試樣改進(jìn)案例

十字形試樣的結(jié)構(gòu)和形式對十字形雙軸拉/壓試驗結(jié)果有著重要的影響。該

部分通過介紹基于有限元分析手段針對特定指標(biāo)改進(jìn)十字形試樣形式的流程案

例，幫助標(biāo)準(zhǔn)使用人員設(shè)計符合試驗要求的試樣。

1.8附錄B雙軸試驗機的類型與主要形式

雙軸試驗機按驅(qū)動類型分為液壓伺服控制和電動機驅(qū)動控制兩種。本文件分

別列舉了部分典型國產(chǎn)雙軸試驗機，幫助標(biāo)準(zhǔn)使用人員根據(jù)自身試驗需求選擇合

適的測試平臺。

圖4IPBF-8000雙軸疲勞實驗平臺

四、主要試驗(或驗證)情況

1、十字形試樣裂紋擴展實驗

研究了相位差和應(yīng)力比對國產(chǎn)AA2024鋁合金平面內(nèi)雙軸拉伸疲勞裂紋擴展

行為的影響。研究采用了十字形疲勞裂紋擴展試樣，以此鑒定本次征求意見稿的

規(guī)定內(nèi)容是否具有廣泛應(yīng)用水平。

圖5雙軸裂紋擴展十字形試樣

1.1試驗設(shè)備和十字形試樣

本次驗證試驗在國產(chǎn)IPBF-8000雙軸疲勞實驗平臺上進(jìn)行，該實驗平臺的控

制精度、傳感器精度與數(shù)據(jù)采集精度均達(dá)到本次征求意見稿要求。采用的十字形

試樣為是符合本次征求意見稿中7.1.3章節(jié)規(guī)定的雙軸裂紋擴展試樣。試驗過程

中采用CCD相機記錄裂紋擴展情況，同時通過新型的熒光材料檢測試樣中心減

薄區(qū)是否存在應(yīng)變集中，通過上述手段綜合評判試樣設(shè)計是否科學(xué)合理。

表1裂紋擴展疲勞實驗內(nèi)容

實驗參數(shù)

材料厚度/mm試驗機

相位差應(yīng)力幅值比兩軸載荷比

AA20242IPBF-80000°90°180°0.11

1.2裂紋擴展試驗結(jié)果

實驗內(nèi)容如表1所示，加載波形為三角波。為了探究相位差對裂紋擴展速率

的影響，我們引入了能量釋放率，計算公式1-4如下：

??22

?Ι=2??????+??????(1)

??

?ΙΙ=2?????????????????????(2)

22

?Ι?ΙΙ

?=+(3)

??

2222

?Ι,???+?ΙΙ,????Ι,???+?ΙΙ,???

Δ?=?(4)

??

圖6能量釋放率與裂紋擴展速率

實驗結(jié)果如圖6所示，當(dāng)相位差為180°時，單位裂紋擴展長度釋放的變形

能最低，在該加載條件下試樣對裂紋的敏感性最高，最容易損壞。

圖7熒光鍍膜應(yīng)變場

相位差為180°時的熒光鍍膜的分析結(jié)果如圖7所示。十字形試樣的中心減

薄區(qū)在雙軸循環(huán)加載過程中的變形集中只發(fā)生在裂紋尖端并隨著裂紋擴展，在其

余位置應(yīng)變分布十分均勻，沒有變形集中的產(chǎn)生。試驗結(jié)果表明征求意見稿推薦

的試樣形式在實驗中體現(xiàn)出變形均勻和方便觀測記錄等優(yōu)點，適用于十字形試樣

裂紋擴展實驗。

四、標(biāo)準(zhǔn)中涉及專利的情況

本標(biāo)準(zhǔn)不涉及專利問題。

五、預(yù)期達(dá)到的社會效益、對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用等情況

目前在國內(nèi)的工程應(yīng)用中仍多采用材料的單軸疲勞性能參數(shù)來校核工件的

疲勞壽命。但是研究表明，實際服役情況下工程構(gòu)件多處于多軸應(yīng)力加載條件下。

多軸應(yīng)力狀態(tài)下材料會產(chǎn)生非比例附加強化導(dǎo)致疲勞壽命顯著下降，將材料特性

的評估局限于單軸測試可能會導(dǎo)致對工程結(jié)構(gòu)中材料行為的錯誤描述，所以發(fā)展

多軸疲勞試驗技術(shù)是十分必要的。

相比傳統(tǒng)的多軸疲勞試驗技術(shù)，十字形面內(nèi)雙軸拉/壓疲勞試驗具有易實現(xiàn)

復(fù)雜力學(xué)條件和試驗數(shù)據(jù)采集簡單精確等優(yōu)點。但由于十字形面內(nèi)雙軸試驗國內(nèi)

起步較晚，目前國內(nèi)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)要求。因此各研究單位的十字形面內(nèi)雙軸疲勞

研究遵循的標(biāo)準(zhǔn)各不相同，無法相互統(tǒng)一比較，導(dǎo)致研究結(jié)果水平層次不齊。所

以缺乏十字形面內(nèi)雙軸疲勞試驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件是當(dāng)前面臨的主

要問題。本標(biāo)準(zhǔn)的制定和實施填補了國內(nèi)十字形面內(nèi)疲勞試驗標(biāo)準(zhǔn)的空白，通過

標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一指導(dǎo)，可以使國內(nèi)的十字形面內(nèi)疲勞試驗手段規(guī)范化、統(tǒng)一化，與國

際接軌。這促進(jìn)了國內(nèi)外多軸疲勞研究的溝通和交流，也推進(jìn)了國內(nèi)各單位多軸

疲勞研究的互通有無和共同發(fā)展。

六、與國際、國外對比情況

本文件與BSISO16842:2014和ISO/TR12112:2018相比，主要技術(shù)差異如下:

主要技術(shù)指BSISO16842:

本文件ISO/TR12112:2018結(jié)論

標(biāo)2014

試樣設(shè)計、試

標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)范驗機規(guī)格和試樣設(shè)計和試驗試樣設(shè)計和試驗指導(dǎo)范圍

圍傳感器準(zhǔn)確方法方法更寬

度

補充了近十

內(nèi)容為年之內(nèi)容為年之

年國內(nèi)和國20072007內(nèi)容更具

標(biāo)準(zhǔn)時效性前的相關(guān)研究工前的相關(guān)研究工

際的最新研有時效性

作作

究進(jìn)展

包括試樣、試

只包括試樣設(shè)計本標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)

標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容驗機和試驗只包括試樣設(shè)計

和數(shù)據(jù)處理