国内外金属材料低周疲劳试验标准对比获奖科研报告

国内外金属材料低周疲劳试验标准对比获奖科研报告摘

要：近年來，我国经济发展十分迅速，社会在不断进步，为评价材料抵抗疲劳失效的能力，必须进行低周疲劳性能试验。目前，国内外都制定了金属材料低周疲劳试验标准。选取国内低周疲劳试验常用标准ASTME606—2012和GB/T15248—2008，以及参考ISO国际标准建立的GB/T26077—2010，归纳总结了这些标准之间的差异及特点。发现GB/T15248—2008和GB/T26077—2010在试样要求、设备要求、试验程序及试验报告等方面差异不大，建议考虑合并两项标准，形成一个统一的轴向应变控制疲劳试验标准。

关键词：金属材料;低周疲劳;应变控制;试验标准

引言

火电机组启停或负荷变化引起交变热应力和机械应力，金属部件在交变应力循环作用下将产生疲劳损伤。金属部件的疲劳损伤是一种累积过程，随着运行时间的增长及机组启停次数的增多，可能由于裂纹的萌生和扩展而导致部件最终失效。机组重要部件（如汽包、转子等）失效将造成严重后果。因此，对于运行时间较长尤其是超过设计寿命的机组，进行金属部件的寿命评估十分必要。材料疲劳曲线表征疲劳寿命与循环应变或应力之间的关系，是进行疲劳寿命评估的基本依据。材料疲劳曲线通常通过疲劳试验确定，也可以根据材料的常规拉伸机械性能进行推算。但是由于疲劳试验周期长，费用高，而且对于在役部件一般无法取样进行试验，因此，采用计算方法确定材料疲劳曲线在工程中具有重大意义。

1多轴疲劳

多轴疲劳是指多轴应力或应变作用下的疲劳破坏，在加载过程中有两个或三个主应力（或主应变）分量独立地随时间发生周期性变化，根据加载时主应力（或主应变）方向的变化又可分为比例加载与非比例加载.相对于单轴疲劳而言，非比例加载下的多轴疲劳会使材料内部的应力和应变主轴不断旋转，开动更多的滑移系，导致疲劳裂纹在不同的方向、不同的平面内形成，一些材料在此期间会出现非比例循环附加强化效应，因此多轴疲劳问题相对来说更加复杂.目前单轴与多轴疲劳理论的区别主要反映在以下几个方面：（1）材料循环塑性模型单轴本构关系如Ramberg-Osgood方程不能直接应用于多轴荷载情况，为了精确预测材料在多轴非比例加载下的疲劳寿命就需要综合考虑多轴状态下的非比例强化、等效强化、随动强化等现象.（2）损伤模型传统的S-N法或ε-N法只是针对单轴或多轴比例加载情况，而多轴非比例加载时主应力（或主应变）轴的变化会使裂纹萌生面方向发生变化，而使传统的疲劳寿命模型对此类问题失效.（3）循环计数法在随机多轴加载下各方向的主应力（或主应变）峰谷值不能时时匹配，因此传统的雨流计数法不再适用.

2国内外金属材料低周疲劳试验标准对比

2.1试样要求

ASTME606—2012和GB/T15248—2008标准中给出的推荐试样都是等截面试样和漏斗形试样。等截面试样通常用于约2%以内的总应变范围;漏斗形试样则用于总应变范围大于2%的试验。另外还给出了可用的板材试样设计。GB/T26077—2010中推荐了圆柱形试样和厚度在2.5mm以下、介于2.5～5.0mm之间以及5.0mm以上的板状试样，并作了详细的尺寸规定。这里对三项标准中等截面圆柱形试样要求作比较。选取试样标距长度时，应注意至少大于引伸计的标距，标距长度过长极易导致试样失稳。建议采用GB/T15248规定的范围为1d～3d的标距长度，相较于其他标准，此标准标距长度在实际试验中适用范围更广，且失稳风险较低。为降低在试样标距外发生失效的风险，平行段长度不应超出标距长度0.5d。三项标准对试样的数量要求各不相同。GB/T26077—2010要求试样数量至少8件，得到的疲劳应变-寿命曲线图在循环次数上最少应覆盖3个数量级。ASTME606—2012规定最少10件试样，GB/T15248—2008则要求12～15件试样用于测定应力/应变-寿命曲线，并选取几级应力/应变水平，分别测定其失效循环数。试样数量直接影响试验置信度以及后续的可靠性设计，试样过少易导致结果可靠性低;试样数量多可以提高试验精度，却会增加时间和经济成本，实际试验时需综合考虑，选取合适数量。疲劳试验中，试样的制备过程，包括取样、标记、机加工、表面制备、储存及运输等对试验结果有很大影响。其中，机加工将导致试样表面形貌变化和材料性能变化，并产生残余应力，从而影响试验结果。通过选用适当的精加工工艺可以有效减小试样的残余应力。不同表面粗糙度可视作一条条尺寸不同的初始裂纹，粗糙度越高，表面状况越差，应力集中程度越严重，将导致疲劳寿命下降。因此，要保证试样粗糙度处于较低水平，标准中对粗糙度的要求都是不超过0.2μm。三项标准均对加工工艺提出了具体要求。

2.2弹塑性范围内循环载荷条件下的温度响应

在初始加载阶段，试件发生弹性变形，此时应力-应变关系满足胡克定律，而且应力应变与温度之间的关系可由热弹性效应描述，且初始阶段属于拉伸阶段，因此试件表面温度呈下降趋势。在第一个循环载荷中，当应力首次超过屈服强度（此时试件的屈服应力为初始屈服应力）后，试件进入屈服阶段，发生塑性变形，直至载荷最高点。这一阶段由于试件发生不可逆塑性变形而产生热耗散，从而使得试件温度开始上升。从上述分析中也可得出，屈服强度前后温度变化走势将发生突变，因此在实测中可将应力-时间图与温度-时间图进行叠加，温度变化发生转折的点即可认为是材料的屈服极限，这也为测量材料拉伸屈服应力提供一种有效方法。

结语

综上所述，ASTME606—2012，GB/T15248—2008和GB/T26077—2010这三项标准在试验设备、试验过程及试验报告等方面的要求大体一致，而在试样的尺寸数量、残余应力处理、试验环境要