ISOTS 219132022 动态疲劳试验中的温度验证方法标准立项发展报告

动态疲劳试验中的温度验证方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:TemperatureVerificationMethodAppliedtoDynamicFatigueTesting摘要动态疲劳试验是材料与结构在交变载荷作用下力学性能评价的核心技术手段，广泛应用于航空航天、轨道交通、能源装备及高端制造领域。温度的精确测量与有效验证直接关系到疲劳试验数据的可靠性与可比性。当前，国际范围内缺乏统一的动态疲劳试验温度验证方法标准，导致不同实验室间试验结果离散度大、数据互认困难。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2022年6月21日正式发布ISO/TS21913:2022《动态疲劳试验中的温度验证方法》，首次从国际层面系统规范了动态疲劳试验中温度验证的术语定义、设备要求、验证程序及数据处理方法。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制原则、核心技术内容及其行业影响，分析了标准对提升试验数据质量、促进国际互认、支撑新材料研发等方面的重要价值，并对标准的后续修订方向与推广应用前景进行了展望。该标准的发布标志着动态疲劳试验温度验证领域迈入国际标准化管理的规范化、系统化新阶段。关键词：动态疲劳试验；温度验证；国际标准；试验数据可靠性；标准化AbstractDynamicfatiguetestingisacoretechnicalmeansforevaluatingthemechanicalpropertiesofmaterialsandstructuresunderalternatingloads,widelyappliedinaerospace,railtransit,energyequipment,andhigh-endmanufacturingsectors.Theprecisemeasurementandeffectiveverificationoftemperaturedirectlydeterminethereliabilityandcomparabilityoffatiguetestdata.However,agloballyunifiedstandardfortemperatureverificationmethodsindynamicfatiguetestinghaslongbeenlacking,resultinginsignificantdatadispersionanddifficultiesindatamutualrecognitionamongdifferentlaboratories.Againstthisbackdrop,theInternationalOrganizationforStandardization(ISO)officiallyreleasedISO/TS21913:2022“Temperatureverificationmethodappliedtodynamicfatiguetesting”onJune21,2022,systematicallyregulatingtheterminologydefinitions,equipmentrequirements,verificationprocedures,anddataprocessingmethodsfortemperatureverificationindynamicfatiguetestingattheinternationallevelforthefirsttime.Thisreportsystematicallyreviewstheprojectinitiationbackground,compilationprinciples,coretechnicalcontent,andindustrialimpactofthestandard,analyzesitssignificantvalueinimprovingtestdataquality,promotinginternationalmutualrecognition,andsupportingnewmaterialdevelopment,andprovidesprospectsforfuturerevisionsandpromotionofthestandard.Thereleaseofthisstandardmarkstheentryoftemperatureverificationindynamicfatiguetestingintoanewstageofstandardized,systematicinternationalmanagement.Keywords:Dynamicfatiguetesting;Temperatureverification;Internationalstandard;Testdatareliability;Standardization1引言1.1研究背景疲劳失效是工程结构和机械零部件最主要的失效形式之一。据统计，约80%至90%的机械零部件失效与疲劳相关。动态疲劳试验通过在试验件上施加周期性交变载荷，模拟实际服役条件下的载荷历程，从而获取材料的疲劳寿命曲线（S-N曲线）、疲劳极限、裂纹扩展速率等关键性能参数。这些参数不仅是材料选型和结构设计的核心依据，也是产品安全性与可靠性评估的重要基础。在动态疲劳试验过程中，温度的精确控制与验证具有特殊重要性。一方面，对于高温疲劳试验、热机械疲劳试验等特定工况，试验温度直接影响材料的疲劳行为与损伤机制；另一方面，对于常规室温疲劳试验，由于高频加载导致的试样自热效应，试样实际温度可能显著偏离设定温度，从而影响试验结果的准确性。因此，建立系统、规范的温度验证方法，确保试验温度的准确性和一致性，已成为国际疲劳试验领域亟待解决的基础性技术问题。1.2标准制定背景长期以来，动态疲劳试验中的温度验证缺乏统一的技术规范。现有国际标准如ISO1099（金属材料疲劳试验轴向力控制方法）、ISO12106（金属材料疲劳试验应变控制方法）等，虽对试验温度的一般要求有所涉及，但未形成专项的温度验证方法标准。各实验室在实际操作中多依据内部程序或经验进行温度测量与校准，导致以下问题：（1）温度传感器的校准方法不统一，各实验室间测温系统偏差可能达数摄氏度；（2）试样温度的测量位置、测量时机和记录频次缺乏明确规定；（3）温度补偿方法各异，对加载频率、波形等因素引起的温度波动处理方式不一致；（4）自热效应的评估方法缺失，无法科学判定温度偏差对试验结果的量化影响。上述问题的存在直接影响疲劳试验数据的精密度和可比性，制约了国际间试验数据的互认与合作。在此背景下，ISO/TC164（金属力学试验技术委员会）适时启动了ISO/TS21913的研制工作。1.3标准基本信息ISO/TS21913:2022《动态疲劳试验中的温度验证方法》由国际标准化组织（ISO）下属的ISO/TC164“金属力学试验技术委员会”（Mechanicaltestingofmetals）归口管理。该标准于2022年6月21日正式发布，标准状态为现行有效，分类号为金属材料机械试验，标准语言为英语。作为技术规范（TechnicalSpecification，TS）类文件，该标准旨在为动态疲劳试验中的温度验证提供统一的技术框架和实施指南。该标准适用于金属材料在动态疲劳试验过程中的温度验证，涵盖室温至高温范围内的温度测量、监控与确认方法，为试验数据的准确性和可比性提供保障。2标准的编制原则与方法2.1编制原则ISO/TS21913:2022的编制遵循以下基本原则：（1）科学性：标准的技术内容基于大量试验验证数据和理论分析结果，确保技术路线的科学合理性。温度测量方法的选择和验证程序的设定充分考虑了热力学基本原理和材料疲劳试验的实际特点。（2）通用性：标准力求适用于不同材料类型（金属材料为主）、不同试验设备（电液伺服疲劳试验机、高频疲劳试验机等）和不同温度范围（室温至高温），避免对特定设备或技术的倾向性规定。（3）可操作性：标准中的各项条款力求明确具体，便于不同层次的实验室理解和执行。验证程序和判定准则的设计充分考虑实际操作的可行性。（4）协调性：标准在技术内容上与ISO1099、ISO12106等相关标准保持协调，避免技术要求的冲突和重复。2.2编制过程该标准的编制经历了系统而严谨的程序，包括：（1）前期研究阶段：对全球主要疲劳试验实验室的温度测量与验证实践进行调研，收集和分析现有技术数据，识别关键技术问题和标准化需求；（2）草案起草阶段：组织国际专家成立工作组（WG），起草标准工作草案（WD），经过多轮讨论和修改形成委员会草案（CD）；（3）征求意见阶段：在ISO成员国范围内广泛征求意见，各国专家对标准技术内容提出大量建设性意见，工作组逐条审议并合理采纳；（4）批准发布阶段：经过ISO/TC164技术委员会审查和ISO中央秘书处最终批准，于2022年正式发布。3标准核心技术内容3.1范围与规范性引用ISO/TS21913:2022明确了其适用范围为金属材料在动态疲劳试验中的温度验证，主要涵盖三个层面的温度验证需求：一是试验前的温度校准与系统确认，确保温度测量系统本身的准确性和稳定性；二是试验过程中的温度监控方法，确保试验过程中试样温度始终处于允许偏差范围内；三是试验结果的温度数据报告要求，统一温度数据的表达方式和分析方法，保证试验结果的可追溯性。该标准也适用于环境温度下进行的疲劳试验，特别是在高频加载条件下可能出现试样自热效应的场景。在规范性引用方面，标准引用了ISO7500-1（金属材料静态单轴试验机校准）、ISO9513（金属材料引伸计校准）等基础性的试验机和测量设备校准标准，以及相关的热电偶校准标准，确保温度验证体系与既有标准体系的协调配套。3.2术语和定义该标准对动态疲劳试验温度验证所涉及的术语进行了明确规定，主要包括：（1）验证温度：在规定的条件下通过对测温系统的校准和比对确认的温度值。该温度值应能代表试样标距段的实际温度水平。（2）标定温度：由已校准的标准测温设备所测得的参考温度值，用于比对验证工作测温系统的准确性。（3）温度梯度：在试样标距段内，不同测量位置之间测得温度的差异，用于评估试样温度的均匀性。（4）温度稳定性：在规定的试验时间内，试样测量温度的最大值与最小值之差或温度的波动范围。（5）自热效应：在动态加载过程中，由于材料内部阻尼和内摩擦产生的热量引起试样温度升高的现象。自热效应在高频疲劳试验中尤为明显，是室温疲劳试验中最主要的温度干扰来源。3.3温度测量系统要求标准对温度测量系统的选择、配置和校准提出了明确要求：在测温装置方面，标准规定可根据温度范围和精度需求选用热电偶、电阻温度检测器或红外测温仪等测温装置，并对各类测温装置的精度等级和使用条件进行了限定。例如，对于采用接触式测温的场合，推荐使用K型或S型热电偶，并进行适当的安装和固定，减小测温误差。对于非接触式测温场合，则要求考虑试样表面发射率的影响。对于测温系统整体的校准，标准要求在每次试验前对温度测量系统进行系统校准，确保系统的综合测量误差满足试验要求。校准应可追溯到国家或国际计量标准，校准记录应妥善保存，实现温度数据的全流程可追溯。3.4温度验证程序ISO/TS21913:2022的核心内容是建立系统化的温度验证程序，主要包括：试验前温度校准与确认：在试验开始前，应采用经校准的标准测温设备与试验测温系统进行比对，确认测温系统偏差在允许范围内。同时，对于高温试验，应在不带载荷的条件下对试样进行加热，确认试样标距段温度达到设定值并稳定后，方可开始正式试验。对于温度梯度有要求的试验，应使用多点测温方式测定试样工作段不同位置的温度分布，确认满足温度均匀性要求。试验过程中温度监控：在试验过程中，应持续或定时监测试样温度，监控频次的设定应充分考虑试验类型和温度条件的特点。标准规定，对于持续时间较长的疲劳试验，温度监控的时间间隔不宜过长，以免错过温度异常变化。一旦发现温度超出允许偏差，应采取相应处理措施，如调整加热功率、降低加载频率或暂停试验等。试验后温度数据记录：试验结束后，应在试验报告中记录温度验证的相关信息，包括测量仪器的校准信息、温度测量布置方式、温度监控结果以及验证结论等信息，确保温度数据的完整性、可追溯性和可复现性。3.5数据处理与报告标准对温度验证数据的处理与报告要求进行了规定：所有温度测量数据应按照规定的格式进行记录和保存，数据处理过程中应采用适当的统计方法验证温度的稳定性和均匀性。试验报告中应包含温度验证的完整信息，包括验证方法、测量仪器、校准记录、温度测量数据等，以便于数据的使用者全面评估温度因素对试验结果的影响。此外，标准强调在室温疲劳试验中应对自热效应进行系统监测和评估，当温度升高可能对试验结果产生显著影响时，应在试验报告中予以说明。4标准的意义与影响4.1填补国际标准空白ISO/TS21913:2022的发布填补了动态疲劳试验温度验证领域国际标准的空白。此前，虽然有多个涉及疲劳试验方法的标准文件对温度条件进行了基本要求，但均未形成系统、完整的温度验证方法规范。该标准的实施为全球范围内疲劳试验的温度验证工作提供了统一的技术依据，是疲劳试验标准化体系中重要的配套标准和补充。4.2提升试验数据的可靠性与可比性温度的准确验证和有效监控是保证疲劳试验数据质量的关键环节。该标准通过规范温度测量设备要求、统一验证程序、明确数据处理方法，有效降低了因温度因素引起的数据离散度，提高了不同实验室间试验结果的可比性。这对于建立全球统一的材料性能数据库、促进国际间数据共享与互认具有重要的支撑作用。4.3促进新材料研发与应用在新材料（如高温合金、钛合金、复合材料等）的研发与工程应用过程中，准确的高温疲劳性能数据是材料选型和结构设计的基础。ISO/TS21913:2022提供的高温温度验证方法框架为新材料的高温疲劳性能评价提供了可靠的技术保障，有助于加速新材料的工程应用进程，对航空航天、能源装备等战略性新兴产业发展具有重要的推动作用。4.4推动实验室能力建设该标准的实施要求试验室建立健全温度验证体系，包括完善的测温设备校准管理、规范的验证操作程序、系统的数据记录与追溯机制。这将推动各相关实验室提升温度验证技术能力和管理水平，培育和提升检测认证机构在疲劳试验领域的综合服务能力。5标准主要起草单位介绍ISO/TS21913:2022的编制由ISO/TC164技术委员会组织，由国际疲劳试验领域多家权威机构联合参与起草。在众多参与机构中，德国材料检验与试验研究院（BAM）作为该标准编制的核心技术支撑单位，在标准研制过程中发挥了关键作用。德国材料检验与试验研究院（BundesanstaltfürMaterialforschungund-prüfung，BAM）是德国联邦层面的材料科学与工程研究机构，隶属于德国联邦经济事务与气候行动部，总部位于柏林。BAM成立于1871年，拥有超过150年的历史，是欧洲乃至全球材料科学与工程领域最具影响力的研究机构之一。BAM的核心使命是通过科学研究、技术检验和标准化工作，提升材料与产品的安全性、可靠性和可持续性。在ISO/TS21913:2022的编制过程中，BAM的研究团队承担了多项关键技术任务：一是牵头组织了全球范围内的温度验证实践调研，系统收集了各主要工业国在动态疲劳试验温度管理方面的技术资料，为标准的框架设计奠定了坚实基础；二是主持开展了温度测量系统比对试验，通过多实验室间的循环比对研究，验证了标准中有关测温系统精度要求的合理性；三是主导起草了标准中有关自热效应评估的技术条款，为室温高频疲劳试验中温度影响评价提供了科学依据。此外，BAM还承担了标准征求意见稿的国际协调和意见汇总工作，推动了各国专家在关键技术问题上的逐步趋同，为标准的顺利发布作出了重要贡献。BAM在金属材料力学性能测试与标准化领域具有深厚积累，长期深度参与ISO/TC164框架下的多项国际标准制修订工作，其研究成果和技术方案在国际疲劳试验领域具有广泛的认可度和影响力。6结论与展望6.1结论ISO/TS21913:2022作为国际上首个专门针对动态疲劳试验温度验证方法的技术规范，具有重要的开创性意义。该标准系统构建了动态疲劳试验温度验证的技术框架，涵盖了温度测量系统要求、验证程序、数据处理与报告等核心环节，为全球疲劳试验领域的温度管理提供了统一的技术规范。标准的发布实施将显著提升疲劳试验数据的质量水平与可比性，有效促进国际间试验数据的互认与合作。从技术层面看，该标准充分考虑了不同试验类型、不同温度范围和不同设备条件下的差异化需求，既规定了统一的基本要求，又保留了合理的技术灵活性，具有较强的可操作性和适应性。标准的实施将推动各相关实验室完善温度验证体系建设，提升温度测量与管理的整体技术水平。6.2展望随着材料试验技术的不断发展和工业应用需求的持续提升，ISO/TS21913:2022在未来仍有进一步完善和拓展的空间。首先，随着增材制造、先进复合材料等新型材料体系的快速发展，这些材料在动态疲劳试验中表现出的热-力耦合行为更为复杂，标准的适用范围有待进一步拓展。其次，随着非接触式测温技术、分布式光纤测温等新型测温技术的不断成熟，标准中有关测温装置的内容需适时更新。再次，数字化和智能化实验室管理体系的建设推动了试验数据管理向自动化、智能化方向升级，标准中有关温度数据记录与报告的内容可与数字试验平台进行更好的融合。最后，伴随全球绿色低碳转型的深入推进，疲劳试验领域的节能降耗也逐步受到关注，如何在保证试验精度的前提下优化温度管理方案、减少能源消耗，也有望成为未来标准修订考虑的方面。可以预见，随着ISO/TS21913:2022在世界各国的广泛采用和深入实施，动态疲劳试验温度验证的标准化水平将不断提升，为全球材料科学研究和工程应用提供更加坚实的技术支撑。我国相关标准化技术机构应积极跟踪该国际标准的技术动态，适时推进该标准的转化应用，同时结合国内优势领域的技术积累，在后续国际标准修订中积极贡献中国智慧和中国方案，提升我国在材料试验领域国际