ISO 232962025 金属材料 疲劳测试 力控热机械疲劳试验方法标准立项发展报告

金属材料疲劳测试力控热机械疲劳试验方法StandardizationDevelopmentReport：MetallicMaterials—FatigueTesting—ForceControlledThermo-MechanicalFatigueTestingMethod摘要随着航空航天、能源动力、交通运输等高端装备制造领域的快速发展，金属材料在复杂热—力耦合服役环境下的疲劳失效问题日益突出，热机械疲劳（Thermo-MechanicalFatigue,TMF）试验作为评价材料在温度与载荷协同作用下损伤演化规律的核心手段，其试验方法的标准化需求愈发迫切。ISO23296:2025《金属材料疲劳测试力控热机械疲劳试验方法》由国际标准化组织（ISO）正式发布，该标准系统规定了力控模式下热机械疲劳试验的术语定义、试验设备要求、试样制备规范、试验程序、数据记录与结果表达等技术内容，填补了国际范围内力控热机械疲劳试验方法标准的空白。本报告详细介绍了该标准的立项背景、编制历程、核心技术要素及其行业应用价值，重点阐述了标准编制过程中涉及的相位角控制、等效温度—应力耦合、循环计数与损伤参量确定等关键技术难题的解决路径。该标准的发布将为全球金属材料热机械疲劳性能评价提供统一的技术依据，有力推动高温结构材料研发、构件寿命预测及设计准则的国际化对接。关键词：金属材料；疲劳测试；热机械疲劳；力控模式；国际标准；试验方法；相位角控制AbstractWiththerapidadvancementofhigh-endequipmentmanufacturingsectorssuchasaerospace,energyandpowergeneration,andtransportation,fatiguefailureofmetallicmaterialsundercomplexthermo-mechanicalcoupledserviceconditionshasbecomeincreasinglyprominent.Asthecoreapproachforevaluatingmaterialdamageevolutionunderthesynergisticactionoftemperatureandmechanicalloading,thermo-mechanicalfatigue(TMF)testingdemandsurgentstandardizationofitstestingmethodology.ISO23296:2025,*Metallicmaterials—Fatiguetesting—Forcecontrolledthermo-mechanicalfatiguetestingmethod*,wasofficiallyreleasedbytheInternationalOrganizationforStandardization(ISO).Thisstandardsystematicallyspecifiestheterminology,testingequipmentrequirements,specimenpreparation,testingprocedures,datarecording,andresultexpressionforforce-controlledTMFtesting,fillingtheinternationalgapinTMFtestingmethodstandards.Thisreportelaboratesontheprojectbackground,draftingprocess,coretechnicalelements,andindustrialapplicationvalueofthestandard,withemphasisontheresolutionofkeytechnicalchallengesincludingphaseanglecontrol,equivalenttemperature–stresscoupling,cyclecounting,anddamageparameterdetermination.ThereleaseofthisstandardwillprovideaunifiedtechnicalbasisfortheglobalevaluationofTMFperformanceofmetallicmaterials,significantlypromotinginternationalharmonizationofhigh-temperaturestructuralmaterialdevelopment,componentlifeprediction,anddesigncriteria.Keywords:Metallicmaterials;Fatiguetesting;Thermo-mechanicalfatigue;Force-controlledmode;Internationalstandard;Testingmethod;Phaseanglecontrol1引言1.1研究背景金属材料在服役过程中往往同时承受交变机械载荷与周期性温度变化。燃气轮机涡轮叶片、航空发动机热端部件、核反应堆压力容器、内燃机气缸盖及排气歧管等关键构件，在启动—运行—停机循环中反复经历温度波动与应力循环的耦合作用，由此引发的热机械疲劳失效是制约其可靠性与寿命的主要因素之一。据相关统计，热机械疲劳损伤在航空发动机涡轮叶片失效原因中占比超过60%，在重型燃气轮机热端部件失效中亦占据主导地位。不同于等温低周疲劳，热机械疲劳涉及温度与力学载荷的相位关系（同相、反相及复杂相位差）、温度历史依赖性、氧化与蠕变交互作用等多重复杂因素，其损伤机制和寿命预测方法具有显著的特殊性。因此，建立科学、统一、可复现的热机械疲劳试验方法标准，对于材料筛选、工艺优化、寿命评估及设计准则制定至关重要。1.2标准立项的必要性尽管ISO12111:2011《金属材料疲劳试验热机械疲劳试验方法》已对总应变控制模式下的TMF试验方法做出规定，但工程实践中大量构件（如螺栓连接件、压力容器接管等）在服役中呈现力控边界条件特征，其载荷响应并非应变约束，而是以力或应力幅值恒定方式循环。力控模式下的TMF试验在载荷施加方式、试样失效判据、循环行为特征（如棘轮效应、平均应变累积）等方面与应变控制模式存在本质差异，无法直接套用ISO12111的技术条款。同时，各国在TMF试验实践中所采用的力控试验程序差异明显，导致测试结果可比性差，严重制约了国际间材料数据共享与设计准则统一。为此，制定专门针对力控模式的热机械疲劳试验方法国际标准，具有明确的行业需求和广泛的国际合作基础。2标准编制概况2.1标准基本信息ISO23296:2025由国际标准化组织发布，标准全称为《Metallicmaterials—Fatiguetesting—Forcecontrolledthermo-mechanicalfatiguetestingmethod》（金属材料疲劳测试力控热机械疲劳试验方法），发布日期为2025年11月21日，现行有效。该标准属于金属材料机械试验标准体系，对应国际标准分类号（ICS）中金属材料机械试验类别。标准文本以英语发布，电子版采用加密PDF格式。2.2编制历程与工作原则该标准由ISO/TC164（金属力学试验技术委员会）下设的SC4（疲劳试验分技术委员会）负责制定，历经工作组提案（NWIP）、工作组草案（WD）、委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）和最终国际标准草案（FDIS）等阶段，从立项至正式发布历时约四年。来自中国、德国、日本、美国、法国、英国等主要工业国家的专家共同参与了标准研制工作。在编制过程中，工作组坚持以下原则：一是协调一致性，确保与ISO12111在术语定义、试样要求、设备检定等通用条款方面的衔接，避免标准间冲突；二是科学适用性，力控试验方法的技术条款须建立在充分的实验室间比对试验（Round-RobinTest）基础上，保证方法的可操作性和结果的可比性；三是规范开放性，兼顾不同材料体系（钢、铝合金、钛合金、镍基高温合金等）和不同温度区间的试验需求，留有合理的弹性空间。3标准核心技术内容3.1范围与术语定义ISO23296:2025规定了金属材料在力控模式下热机械疲劳试验的通则，适用于承受交变载荷与温度循环协同作用的金属材料的性能评价。标准明确了力控热机械疲劳的定义，即：在恒定力幅或应力幅值条件下，试样同时经历规定的温度循环，二者以设定的相位关系耦合作用的疲劳试验方式。标准的术语部分在继承ISO12111既有术语的基础上，增加了力控模式下特有的术语概念，包括但不限于：力幅（forceamplitude）、平均力（meanforce）、棘轮应变（ratchetingstrain）、力—温度相位角（force-temperaturephaseangle）等。3.2试验设备与检定要求标准对试验系统提出了严格要求。在加载系统方面，要求力传感器精度满足ISO7500-1的1级要求，同轴度偏差控制在规定范围内，夹具设计须保证在高温条件下试样对中性良好。加温系统可采用高频感应加热、辐射加热或直接电阻加热等方式，但须保证试样标距段内温度均匀性在设定温度的±5℃以内（或不超过±10℃，依据温度水平确定）。冷却系统需具备足够的冷却速率控制能力，以满足不同加热—冷却速率组合的试验需求。对于力控模式特有的技术难点——温度循环与力循环的同步控制，标准要求控制系统具备载荷—温度联合控制功能，能够实现相位角误差不超过±2°（或±30秒时间偏差）的精确同步。高温引伸计（如接触式陶瓷杆引伸计或非接触式光学引伸计）用于监测试样应变响应，其精度和长期稳定性须满足标准规定的技术指标。3.3试样制备标准对试样的形状、尺寸、表面粗糙度及加工工艺提出了明确规定。推荐采用圆形截面或矩形截面试样，标距段直径（或宽度）的公差、同轴度和表面粗糙度（Ra≤0.2μm）均有量化要求。针对不同材料特性，标准给出了试样机加工的具体建议，包括粗加工留量、精加工去除量、磨削方向与加载方向的几何关系等，以防止加工残余应力对试验结果产生干扰。同时，标准特别指出：对于力控模式试验，由于试样在循环过程中可能产生累积塑性变形，试样标距段的初始几何公差对试验结果影响比应变控制模式更为显著，因此对试样初始截面积的测量精度提出了更高要求（截面尺寸测量误差不得超过±0.5%）。3.4试验程序标准对试验程序的规定涵盖了试验条件确定、温度循环设置、力循环施加、相位角设定及试验过程监控等关键环节。试验条件的确定是力控TMF试验的首要环节。标准要求明确以下参数：温度循环的上限温度\(T_{\text{max}}\)与下限温度\(T_{\text{min}}\)、加热与冷却速率、保温时间（如有）、力幅值\(F_a\)、平均力\(F_m\)、力—温度相位角\(\varphi\)以及循环波形（推荐采用三角波或梯形波）。上述参数的选择应充分反映材料实际服役条件，并在试验报告中完整记录。力—温度相位关系是TMF试验的核心控制维度。标准定义了两种基本相位模式：同相（In-Phase,IP）——最大拉力对应于最高温度；反相（Out-of-Phase,OP）——最大拉力对应于最低温度。标准还允许根据实际工况需求设定任意相位差，但要求精确记录实际实现的相位角并评估其偏差。在试验过程控制方面，标准要求对力、温度、应变（作为监测量）和时间等参量进行全程连续采集或等间隔采集，采集频率应保证每个循环至少记录200个数据点。试验持续至试样断裂或达到预定循环数时终止，力控模式下的失效判据包括试样完全断裂，或试样刚度（或位移幅值）变化超过规定阈值。3.5数据记录与结果表达标准对数据记录内容、格式和结果处理方式作了详细规定。要求记录的原始数据至少包括：循环数、每个循环的力—时间历程、温度—时间历程、应变响应历程（包括应变幅值、平均应变/棘轮应变演化）、循环应力—应变滞后回线（典型循环）等。在结果表达方面，标准推荐以力幅—寿命曲线（\(F_a–N_f\)）或应力幅—寿命曲线（\(\sigma_a–N_f\)）作为主表达形式，棘轮应变率\(\dot{\varepsilon}_r\)作为辅助表征参量。针对力控TMF特有的非对称循环特征，标准引入了平均应变演化分析的要求，规定应报告在寿命的5%、25%、50%和75%等特征节点处的棘轮应变值。基于力控循环的损伤参量，如Smith-Watson-Topper（SWT）参数等，被建议用于数据归一化表达，以提升不同试验条件下结果的可比性。4标准关键技术难点与解决路径ISO23296:2025在编制过程中面临的核心技术挑战主要包括以下方面。4.1力—温度耦合控制精度力控TMF试验要求力循环与温度循环在时间维度上严格同步，而加热/冷却系统固有的热惯性导致温度响应存在滞后。为确保相位角精度，标准推荐了两种实现路径：其一，采用预测控制算法对温度滞后进行预补偿；其二，采用实时反馈闭环控制策略，以温度信号和力信号为双反馈源，实现载荷与温度联合控制。标准给出了相位角校准的具体操作程序，规定在正式试验前应通过动态校准试验确认相位角误差在允许范围之内。4.2循环计数与损伤参量力控模式下，材料可能经历非对称循环，伴随棘轮效应的累积，传统的雨流计数法和Miner线性累积准则的适用性需要重新评估。标准在编制过程中综合评估了多种损伤参量的适用性，最终推荐以力幅（或应力幅）结合平均应力修正（如SWT参数或Walker修正）为基本表达方式，同时要求报告棘轮应变演化数据，为后续寿命预测模型的验证提供完整的试验数据基础。4.3实验室间验证为提高标准的可信度和可操作性，ISO/TC164/SC4组织开展了国际实验室间比对试验。参与实验室涵盖了中国、德国、日本和美国的多个权威试验机构，选用P92耐热钢和Inconel718镍基高温合金两种典型材料进行了同相和反相条件下的力控TMF试验。比对结果表明：在严格遵循标准草案规定的条件下，各实验室间的寿命结果分散度控制在2倍分散带以内，棘轮应变数据的复现性也达到了可接受的水平。这一结果验证了标准方法的技术可行性，并为关键参数容差的设定提供了数据支撑。5主要起草单位ISO23296:2025的制定汇聚了全球金属力学试验领域的权威机构。其中，中国航空工业集团公司北京航空材料研究院（航材院，AVICBIAM）是标准编制的核心贡献单位之一，承担了工作组联合召集人角色，主导了标准框架设计、关键技术条款起草和实验室间比对试验的组织实施工作。航材院始建于1956年，是中国唯一的综合性航空材料研究机构，拥有完整的材料研制、性能表征与寿命评价技术体系。该院在高温结构材料力学行为研究领域积淀深厚，建有先进的高温疲劳与断裂力学试验平台，配备了包括高频伺服试验系统、热机械疲劳试验系统、超高温材料试验系统等在内的大型科研装备，具备从室温到1200°C宽温度范围内复杂载荷谱模拟能力。在ISO23296编制过程中，航材院团队基于在航空发动机涡轮叶片和盘件用材料热机械疲劳评价方面积累的数十年工程经验和大量的试验数据，在力控TMF试验的技术框架、相位角控制方法、棘轮应变数据处理和寿命表达方式等方面作出了系统性贡献。航材院实验室还承担了国际比对试验中国区的组织协调和部分核心试验工作，其试验数据为关键技术参数的验证提供了重要支撑。此外，标准编制还得到了德国材料试验协会（DVM）、日本国立材料科学研究所（NIMS）、美国ASTM国际组织E08疲劳与断裂委员会相关专家的深度参与，充分体现了该标准的国际性和技术权威性。6标准的意义与应用前景6.1学术意义ISO23296:2025首次在国际层面上系统确立了力控模式下热机械疲劳试验的统一方法框架，拓展了金属材料力学性能试验标准体系的覆盖面。该标准填补了力控TMF试验方法标准化空白，为学术研究提供了规范化的试验工具，将促进不同研究团队之间的数据互通和成果对比，有力推动热机械疲劳损伤机理、寿命预测模型及材料本构描述等基础研究领域的发展。6.2工程应用价值对于航空发动机、燃气轮机、核能装备、内燃机及汽车排气系统等领域的工程实践，该标准提供了材料选型、工艺验证和寿命评估的标准化试验依据。力控TMF试验数据可直接服务于构件设计阶段的材料许用应力确定、寿命设计曲线建立以及服役损伤容限评估。更重要的是，该标准与ISO12111形成互补，共同构建了覆盖应变控制和力控两大基本边界条件的热机械疲劳试验标准体系，为工程设计人员提供了更为完整和灵活的材料性能评价工具链。6.3国际影响作为国际标准化组织发布的标准，ISO23296:2025的发布将推动各成员国在热机械疲劳试验领域的标准互认和技术协调。对于中国企业而言，该标准的发布有利于消除我国高温材料研发和构件验证中的国际贸易技术壁垒，促进国产航空材料、能源装备材料进入国际市场，提升中国在金属力学试验标准化领域的国际话语权和影响力。7结论与展望ISO23296:2025《金属材料疲劳测试力控热机械疲劳试验方法》是国际标准化组织在金属力学试验标准化领域取得的一项重要成果。该标准系统解决了力控模式下热机械疲劳试验的方法学问题，包括力—温度耦合控制、试样制备、试验程序优化、棘轮应变表征和寿命表达方法等关键技术环节，形成了科学、完整、可操作的标准技术框架。标准的正式发布填补了国际标准体系中力控TMF试验方法的空白，是对应变控制TMF试验标准ISO12111的重要补充，共同构建了覆盖不同边界条件的热机械疲劳试验方法标准化体系。未来，随着增材制造高温合金、陶瓷基复合材料、难熔高熵合金等新型高温结构材料的不断涌现，以及燃气轮机进口温度持续提升、氢能涡轮机械等新应用场景的拓展，热机械疲劳试验标准体系将面临新的挑战与机遇。可以预见，ISO/TC164将在本次标准的基础上，进一步完善变幅载荷谱下TMF试验方法、环境—温度—载荷多场耦合试验方法以及数字孪生辅助试验验证方法等方向的标准化工作。同时，力控TMF试验标准也有望与损伤容限设计准则、可靠性评估方法等上层标准形成更加紧密的标准生态，共同支撑高端装备长寿命、高可靠性设计的工程需求。参考文献[1]ISO23296:2025,Metallicmaterials—Fatiguetesting—Forcecontrolledthermo-mechanicalfatiguetestingmethod[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2025.[2]I