CSTM 金属材料 十字形面内双轴拉-压疲劳试验方法（征求意见稿）编制说明

一、工作简况

1、任务来源

本项目是依据中国材料与试验团体标准委员会（以下简称：CSTM标准委员

会）钢铁材料领域委员会综合[2021]248号文“关于CSTM标准《金属材料十

字形面内双轴拉/压疲劳试验方法》的立项公告”下达的项目计划，项目编号为

CSTMLX010000831—2021，项目名称为“金属材料十字形面内双轴拉/压疲劳

试验方法”。本项目是制定项目。主要起草单位:天津大学等。计划完成时间为2022

年。

2、主要工作过程

起草(草案、调研)阶段:计划下达后，2021年8月CSTM标准委员会钢铁材

料领域委员会组织各起草单位成立了起草工作组，由天津大学牵头成立了标准编

制工作组，负责主要起草工作。工作组对国内外金属材料十字形面内双轴拉/压

疲劳试验方法的现状与发展情况进行全面调研，同时广泛搜集相关标准和国内外

技术资料，进行了大量的研究分析、资料查证工作，结合实际应用经验，进行全

面总结和归纳，在此基础上编制出《金属材料十字形面内双轴拉/压疲劳试验方

法》标准草案初稿。经工作组及有关专家研讨后，对标准草案初稿进行了认真的

修改，于2022年4月形成了标准征求意见稿及其编制说明等相关附件，报全国

钢标委第一分委员会秘书处。

征求意见阶段:2022年4月18日，由CSTM钢铁材料领域委员会秘书处将

标准征求意见稿和编制说明发送到全国钢标委力学分委员会委员及有代表性的

标准相关方广泛征求意见，同时在《钢铁标准网》网站上公开征求社会意见，为

期1个月时间。

3、主要参加单位和工作组成员及其所做的工作

本标准由天津大学等单位共同起草。

主要成员:

二、标准编制原则

本标准在制定过程中，遵循“面向市场、服务产业、自主制定、适时推出、

及时修订、不断完善”的原则，注重标准修订与技术创新、试验验证、产业推进、

应用推广相结合，本着先进性、科学性、合理性和可操作性以及标准的目标、统

一性、协调性、适用性、一致性和规范性的原则来进行本标准的制定工作。

本标准在起草过程中主要按GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分:标准

的结构和编写规则》的要求编写。在确定本标准主要技术指标时，综合考虑生产

企业的能力和用户的利益，寻求最大的经济、社会效益，充分体现了标准在技术

上的先进性和合理性。

三、主要内容说明

1、标准主要内容

1.1范围

相比其他双轴试验方法，十字形双轴拉/压疲劳试验的最大优势在于可以精

确实现任意复杂加载路径和加载波形下的应力应变采集，同时配合相应试验设备

可以实现高温试验。所以标准的适用范围包括了金属板材在室温及高温下采用十

字形试样进行的双轴拉/压疲劳试验，加载模式包括比例加载和复杂路径下的非

比例加载。

1.2术语和定义

该部分基于试验需求列举了十字形试样几何结构和DIC应变测量系统的相关

术语，并进行了定义。此外，为了增强对复杂路径多轴非比例加载条件的理解，

提高双轴原位加载试验试验设计能力，本文件增加了四个术语，并进行了定义：

双轴疲劳试验（biaxialfatiguetest）：试样在加载过程中两个主应力或主应变的方

向和幅值随时间有规律的变化的力学试验。

非比例加载（non-proportionalloading）：试样在加载过程中主应力或主应变的方

向随时间的改变而发生变化的加载条件。

加载路径（loadingpath）：对试样施加的载荷在应力空间中的轨迹。

原位加载（Insituloading）：无论在何种加载模式和任意变形阶段下，十字形试

样的中心位置均保持不变的加载过程。

1.3试验原理

试验原理章节简要描述了双轴疲劳试验机通过两组正交加载轴对十字形试

样施加双轴复杂疲劳载荷的试验流程。应用了高温变形补偿法和平均应力设置准

则，帮助标准使用人员在实验中避免试样失稳现象。

1.4仪器和设备

1)规定了双轴疲劳试验机的结构和形式。为了保证双轴疲劳试验机在复杂路径

非比例循环加载条件下的控制精度，规定各轴向的位移控制精度不低于±

0.05mm，最高动态频率不低于10Hz。

2)为了在高频循环加载试验中准确采集试验数据，不丢失关键数据点。规定控

制器的采样频率不低于1000Hz，同时载荷传感器精度应不低于±1%FS，精度

范围宜在1%-100%FS内，且最大测量范围应满足试验需要。

3)规定了适用于十字形试样的夹具的形式。对于高温试验，则推荐采用水冷夹

具，夹具的形式如图1所示。为了避免试样在拉-压疲劳实验中失稳，推荐在

实验中采用抗屈曲夹具，夹具的形式如图2所示。

4)推荐在十字形面内双轴拉/压试验中采用DIC系统或电阻应变计测量应变。其

中，电阻应变计的粘贴应遵循以下步骤：

1贴片前根据试样材料选择800~1000目的砂纸，除去中心减薄区表面油污、

锈斑、氧化膜等，并打磨出与贴片方向呈45°的交叉条纹。打磨后可用丙

酮、无水乙醇等有机溶剂单方向清洗打磨部位，并用无水乙醇洗至棉球上

不见任何污渍为止；

2将应变计放在清洁的聚四氟乙烯薄膜上，用浸有少量无水乙醇的棉签轻轻

擦洗两个表面，将粘贴面朝上晾干备用；

3在中心减薄区的贴片位置涂刷适量粘接剂，将应变计准确贴在该位置上。

4在应变计上盖上一层聚四氟乙烯薄膜，沿应变计轴线方向滚压1~2min，排

净气泡并挤出多余的粘接剂。

5待粘接剂干燥，从无引线的一端揭起聚四氟乙烯薄膜，用力方向尽量与粘

贴方向齐平，以防带起电阻应变计。

5)加热系统建议优先采用电阻丝或加热棒对中心减薄区范围进行加热。

图1水冷夹具

图2抗屈曲夹具

1.5试样

1)双轴疲劳十字形试样的形式如图3所示，本文件规定了推荐的几何尺寸和公

差要求。为了防止试样在高周次循环加载过程中滑脱，在试样的夹持端增加

了紧固螺栓孔。在试样中心增加了中心减薄区以获得更好的变形能力和均匀

的应变场。为了避免材料微观组织影响试验结果的重复性，规定试样中心减

薄区的厚度不小于0.3倍的试样厚度。

图3双轴疲劳十字形试样

2)双轴裂纹扩展十字形试样的形式如图4所示，本文件规定了推荐的几何尺寸

和公差要求。为了获得更加精确和均匀的应力应变场，在试样臂上增加了开

缝。中心减薄区的面积更大，与试样臂同宽，以便于观测试样中心的裂纹扩

展情况。

图4双轴裂纹扩展十字形试样

3)十字形试样的结构较为复杂，加工流程繁琐，本文件规定了十字形试样的制

备流程，便于标准使用人员加工试样。包括取样和标记、机加工程序、试样

的表面状态、尺寸检查和存放及运输。

1.6试验步骤和试验报告

该部分规定了试验中应遵循的流程和试验报告的内容，着重介绍了双轴载荷

影响下的试样尺寸测定、加载波形控制和失效定义。

1.7附录A基于有限元分析的十字形试样改进案例

十字形试样的结构和形式对十字形双轴拉/压试验结果有着重要的影响。该

部分通过介绍基于有限元分析手段针对特定指标改进十字形试样形式的流程案

例，帮助标准使用人员设计符合试验要求的试样。

1.8附录B双轴试验机的类型与主要形式

双轴试验机按驱动类型分为液压伺服控制和电动机驱动控制两种。本文件分

别列举了部分典型国产双轴试验机，帮助标准使用人员根据自身试验需求选择合

适的测试平台。

图4IPBF-8000双轴疲劳实验平台

四、主要试验(或验证)情况

1、十字形试样裂纹扩展实验

研究了相位差和应力比对国产AA2024铝合金平面内双轴拉伸疲劳裂纹扩展

行为的影响。研究采用了十字形疲劳裂纹扩展试样，以此鉴定本次征求意见稿的

规定内容是否具有广泛应用水平。

图5双轴裂纹扩展十字形试样

1.1试验设备和十字形试样

本次验证试验在国产IPBF-8000双轴疲劳实验平台上进行，该实验平台的控

制精度、传感器精度与数据采集精度均达到本次征求意见稿要求。采用的十字形

试样为是符合本次征求意见稿中7.1.3章节规定的双轴裂纹扩展试样。试验过程

中采用CCD相机记录裂纹扩展情况，同时通过新型的荧光材料检测试样中心减

薄区是否存在应变集中，通过上述手段综合评判试样设计是否科学合理。

表1裂纹扩展疲劳实验内容

实验参数

材料厚度/mm试验机

相位差应力幅值比两轴载荷比

AA20242IPBF-80000°90°180°0.11

1.2裂纹扩展试验结果

实验内容如表1所示，加载波形为三角波。为了探究相位差对裂纹扩展速率

的影响，我们引入了能量释放率，计算公式1-4如下：

��22

�Ι=2��𝑠��+��𝑐��(1)

��

�ΙΙ=2��𝑠��𝑐��−��𝑠��𝑐��(2)

22

�Ι�ΙΙ

�=+(3)

��

2222

�Ι,���+�ΙΙ,����Ι,𝑠�+�ΙΙ,𝑠�

Δ�=−(4)

��

图6能量释放率与裂纹扩展速率

实验结果如图6所示，当相位差为180°时，单位裂纹扩展长度释放的变形

能最低，在该加载条件下试样对裂纹的敏感性最高，最容易损坏。

图7荧光镀膜应变场

相位差为180°时的荧光镀膜的分析结果如图7所示。十字形试样的中心减

薄区在双轴循环加载过程中的变形集中只发生在裂纹尖端并随着裂纹扩展，在其

余位置应变分布十分均匀，没有变形集中的产生。试验结果表明征求意见稿推荐

的试样形式在实验中体现出变形均匀和方便观测记录等优点，适用于十字形试样

裂纹扩展实验。

四、标准中涉及专利的情况

本标准不涉及专利问题。

五、预期达到的社会效益、对产业发展的作用等情况

目前在国内的工程应用中仍多采用材料的单轴疲劳性能参数来校核工件的

疲劳寿命。但是研究表明，实际服役情况下工程构件多处于多轴应力加载条件下。

多轴应力状态下材料会产生非比例附加强化导致疲劳寿命显著下降，将材料特性

的评估局限于单轴测试可能会导致对工程结构中材料行为的错误描述，所以发展

多轴疲劳试验技术是十分必要的。

相比传统的多轴疲劳试验技术，十字形面内双轴拉/压疲劳试验具有易实现

复杂力学条件和试验数据采集简单精确等优点。但由于十字形面内双轴试验国内

起步较晚，目前国内尚无统一标准要求。因此各研究单位的十字形面内双轴疲劳

研究遵循的标准各不相同，无法相互统一比较，导致研究结果水平层次不齐。所

以缺乏十字形面内双轴疲劳试验的相关标准化指导性技术文件是当前面临的主

要问题。本标准的制定和实施填补了国内十字形面内疲劳试验标准的空白，通过

标准的统一指导，可以使国内的十字形面内疲劳试验手段规范化、统一化，与国

际接轨。这促进了国内外多轴疲劳研究的沟通和交流，也推进了国内各单位多轴

疲劳研究的互通有无和共同发展。

六、与国际、国外对比情况

本文件与BSISO16842:2014和ISO/TR12112:2018相比，主要技术差异如下:

主要技术指BSISO16842:

本文件ISO/TR12112:2018结论

标2014

试样设计、试

标准指导范验机规格和试样设计和试验试样设计和试验指导范围

围传感器准确方法方法更宽

度

补充了近十

内容为年之内容为年之

年国内和国20072007内容更具

标准时效性前的相关研究工前的相关研究工

际的最新研有时效性

作作

究进展

包括试样、试

只包括试样设计本标准内

标准内容验机和试验只包括试样设计

和数据处理