金属材料用于动态疲劳试验的温度验证方法

GB/Z213-2026/ISO/TS21913:20221金属材料用于动态疲劳试验的温度验证方法1范围本文件确立了用于确定材料试验设备温度测量准确性、响应速度和稳定性的验证程序。这些程序针对金属疲劳试验的预期用途而制定，对于高温或者变温下试验这些特性的准确性是至关重要的。本文件阐述的原则充分考虑了接触和非接触方式温度测量方法。本文件适用于对试样测量点的“真实”温度进行端到端验证，不能用于规定正确的测量方法或位置。注：这些方法也被用于金属机械疲劳以外的试验类型，但这并不在本文件的适用范围内。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1测试系统testsystem用于开展（疲劳）试验过程中需进行温度测量的设备。注1：测试系统包括夹持装置或固定装置、代表性试样、加热系统（所有影响测量的部分）、测量调节装置（如热电偶调节系统）、数据记录装置和软件。注2：本验证需在完整的试验系统上进行，但严格来说，如能确保所有影响试样环境的部件均处于代表性配置状态，则不一定需配备加载框架。注3：测试系统的运行环境能被视为验证的一部分，因为调节电子设备的温度变化可能影响测量结果，尤其是在热电偶的冷端或热光学设备的探测器阵列未处于恒温状态时。注4：良好的实验室环境通常通过某种气候控制方式来维持，但并非所有情况均能实现，且气候控制也无法保证完全避免特定仪器出现局部问题。3.2代表性试样representativespecimen在验证过程中使用的试样。注：代表性试样尺寸和材料宜与待检试样一致，在某些情况下如无法实现，宜使用与最终试验方案中预期试样的几何形状相似、导热系数和发射率相当的试样。理想情况下，代表性试样宜为实际待测试样，在不显著影响系统传热特性的前提下，允许存在一定的偏差。3.3参考系统referencesystem用于验证测试系统（3.1）的独立测量系统。注：参考系统的分辨率至少要比验证试验系统的分辨率高3倍（最好是5倍以上），且可溯源。GB/Z213-2026/ISO/TS21913:202223.4分辨率resolution温度测量系统的分辨率resolutionofthetemperaturemeasurementsystem在30s内或按照预期的数据采集速率进行测量，连续采集30个读数（以较大者为准），显示温度噪声的波动幅度（最大值与最小值差的一半）。注1：用开尔文（K）或摄氏度（℃）表示。注2：分辨率需针对特定温度试验点说明，或可描述为指示温度的函数。3.5偏差误差biaserror测温系统的偏差误差biaserrorofthetemperaturemeasurementsystem在恒定温度下，30s内或按照预期的数据采集速率进行测量，连续采集30个读数（以较大者为准），即温度测量示值的平均值与参考测量平均值的差值。注1：用开尔文（K）或摄氏度（℃）表示。注2：对于持续时间超过30s的慢速等温循环，可采用一个完整加载循环内的示值平均值计算偏差误差。注3：偏差误差需针对特定温度测试点说明，或可描述为指示温度的函数。3.6测量漂移measurementdrift在代表性的试验周期内，指示温度和参考系统的测量值之间的最大偏差。注1：用开尔文（K）或摄氏度（℃）表示。注2：测量漂移需针对特定温度测试点说明，或可描述为指示温度的函数。3.7时间滞后timelag试样温度的变化与指示温度的变化之间的延迟时间。注1：单位为秒（s）。注2：时间滞后的确定基于温度变化速率的延迟，因此需要一种能够使试样加热速率在几秒内发生显著变化的加热方式。3.8稳定时间stabilizationtime升降温速率发生变化后，加热系统与测量装置共同作用导致读数产生额外误差的持续时间。注：稳定时间与变温试验（通常为热机械疲劳试验）密切相关。在这类试验中，当试样的热量流入或流出发生显著变化时，某些温度控制系统与测量装置的组合可能会导致测量结果暂时不稳定或产生显著误差。稳定时间通常与等温试验场景无关。3.9现场验证insituverification在完全组装的状态下，使用完整的测试系统（3.1）验证试验中将出现的所有系统组件。注1：系统组件包括（但不限于）：-用于向试样施加载荷的机械夹具或其他固定装置；—加热炉、温度箱或其他环境试验箱；-用于供其他监测或测量设备接入的透明端口或开放式端口；-用于防止意外对流热损失的挡板或填充物；—用于保护传感器的护罩、护套或其他材料；—风扇或水循环器等冷却系统；——传感器延长电缆。注2：采用完全代表性验证的目的是捕捉测量装置因“寄生”加热或冷却效应而引入的误差。GB/Z213-2026/ISO/TS21913:202234测量特性图1提供了本文件中关注的特征行为的示意图，这些特性行为对应3.4~3.9所定义的术语，并对升降温—保温试验过程中的观测情况为背景进行说明。注：温度控制系统的命令信号和试样温度之间也会存在单独的时间滞后。它与本文件中方法测量的时间滞后不同，但可能采用类似的量化方法。标引符号和序号说明：Y-温度；X-时间；1-模型试样温度；2-表示与模型对应的试样温度示值；3-时间滞后；4-分辨率（温度测量系统）；5-恒温偏差误差。图1温度测量特性的说明附录A给出了关于疲劳试验系统中试样的常用温度测量技术的一般信息，旨在为试验系统和参考系统的测量技术选择提供参考。5代表性验证设备5.1参考测量5.1.1参考系统的测量中心宜能定位在距离待验证中心测量点小于2mm，条件允许时宜小于1mm。在可能的情况下，参考系统和测试系统的面积平均特性宜具有可比性。5.1.2测试系统的验证精度和分辨率不能超过参考系统（即：等温精度为0.1℃时，不能使用分辨率只有0.5℃的参考系统来验证）。5.1.3在选定温度的验证过程中，参考系统宜是稳定的（或有一个已证明的、可重复的、漂移校正）且精度优于读数的1%，宜使用“三点”浴槽或类似的设备对热电偶的冷端温度进行适当控制。注：关于热电偶验证环境中的实验室设备、分辨率和不确定度的详细讨论见ASTME2846[13］。5.2焊接到试样上的热电偶5.2.1无护套的细热电偶丝（直径小于0.25mm）焊接到试样表面的方法通常被认为是测量金属表面温度最可靠和实用的方法［1]，并已出版了用于疲劳试验的操作指南［13］。GB/Z213-2026/ISO/TS21913:202245.2.2宜根据误差总和验证这类测量，其中宜包括（但不限于）以下因素产生的误差：-热电偶丝成分；—使用的热电偶补偿导线；——温度仪表的校准；—冷端温度的稳定性。5.2.3ASTME2846[13］给出了本方法的使用和扩展不确定度的指导。ASTME220[11］给出了单根热电偶在集成到测试系统之前的校准方法。5.2.4这种测定方法并非绝对可靠，宜消除电磁场的干扰，确保试样与测试系统之间有良好的接地连接（请注意，机械试验框架与所用温度测量电子设备之间并非总能实现接地连接），避免热电偶导线靠近强电磁场产生不平衡感应电流效应。5.2.5如可能，即使在离线情况下频繁地对系统组件进行了部分验证，系统仍宜接受全面的现场验证。5.3捆绑到试样上的热电偶5.3.1如使用捆绑接触式装置（而非焊接式热电偶），宜进行全面的现场验证。5.3.2许多疲劳试验是通过使用与试样接触但未焊接到试样表面的温度“焊珠”来完成（见附录A）。能采用以下形式：-一个带护套的热电偶，其尖端轻轻弹压在试样表面；-一个未带护套的热电偶，通过焊珠固定在试样上；-一个未带护套的热电偶，通过拉紧热电偶丝使其焊珠紧贴试样；—其他形式。5.3.3相比于焊接，捆绑到试样上的热电偶是更实用的解决方案，因它允许在平行长度或标距长度内固定热电偶，理论上不会干扰试样的表面状况。操作员需具备焊接热电偶的能力，保证电偶良好、清洁。在这种情况下，环境影响可能会对总误差有显著影响，如使用陶瓷绳固定探头，则绝缘效果可测量。5.4非接触式热光器件如使用非接触装置，宜进行全面的现场验证。如没有，宜在光源或目标和探测器之间使用光学等效路径（即孔径和透镜）进行验证。这类设备的校准方法和使用指南见GB/T45166[8］和ISO18251-1[10]。ASTME1933[12］定义了测量发射率的标准方法。5.4.1恒定发射率涂层如使用红外相机或高温计系统，并配合恒定发射率涂层进行测量，可采用与5.2中焊接热电偶系统类似的方法进行验证。此时宜采用误差叠加法，宜考虑的误差包括（但不限于）：—涂层发射率和厚度的可变性误差；-黑匣子（传感器）校准误差；-传感器元件温度稳定性误差；—表面观察角度误差；—其他来源的辐射误差；但宜注意，涂层在高应变或长期暴露于极高温度下可能会从表面剥离和剥落。当这种情况发生时，涂层与试样本体温度之间的原有关系将不再成立。注：试样表面的涂层会影响力学试验的结果，试验人员需判断该涂层是否会影响试验数据的代表性和可比性。5.4.2原生表面对于某些试验，可使用原生表面，通常于机械试验前在氧化环境下进行预处理。这能提供一个GB/Z213-2026/ISO/TS21913:20225稳定的氧化层，并提供可靠读数所需的恒定发射率。这不总是可靠的，原因包括：氧化层化学成分的变化；氧化层厚度的变化；由于高应变或长时间暴露于非常高的温度下而造成的氧化层粗化或剥落。预氧化的表面可能对某些试验有益，但不能假定其在试验过程中具有稳定性的保障。对于预氧化或其他原生试样表面，应进行完整的现场验证。6等温验证方法6.1设备设置6.1.1对于现场等温验证，宜使用具有代表性的试样设置测试系统，并按照预期测试配置进行搭建。测试系统宜包括任何可能影响测量性能的硬件或软件中的数据采集功能，例如预期的信号范围、数据采集速率或信号滤波等。6.1.2温度控制系统宜设置为所需的目标温度值，试样加热到该设定温度，并在开始测量前保温一段时间。6.2系统分辨率的测量6.2.1在稳定的温度下，从试验系统采集数据的时长宜不少于30s或采集的连续读数不少于30个读数（取二者中样本量较大者）。6.2.2系统分辨率宜为该数据集的振幅（即最大值减去最小值的一半）。6.3分量偏差误差的汇总6.3.1确定测量系统中能够测量的组件或模块，并为每个组件的偏差误差以及数字信号调节和数据采集的分辨率。这些参数可通过离线直接测量或现场测量获取，也可采用有文件记录的制造商规格参数。对于数据采集系统误差，可通过高精度电压源模拟目标温度下指定热电偶的输出信号，再按照本文件6.2和6.4的规定进行评估。6.3.2系统的预估分辨率和预估偏置误差宜为在目标温度下所有已识别组件的叠加值。6.3.3对于基于热电偶的测量系统，可在校准实验室中按照ASTME2846[13］进行验证，但不强制要求使用相同的信号调节和数据采集设备。宜考虑热电偶与试样接触方式的影响。6.4单点测量的系统偏差误差6.4.1在稳定温度下，宜同时从试验系统和参考系统采集数据，采集时长不少于30s或采集连续读数不少于30个连续读数（取较大者）。6.4.2系统偏差误差宜为试验系统数据的平均值与参考系统数据的平均值之差。6.5分辨率和偏差误差的多点评定6.5.1对于部分测量系统，分辨率和偏差误差随试样温度的变化而变化。因此，对于需在变温条件下运行的系统验证，可按上述要求采集不少于3组单点数据，并拟合该特性与温度的关系曲线。6.5.2如收集了5组以上单点数据，且拟合函数的相关系数能高于0.98，则可证明这种关系。如数据量不足5组，或不能得到理想的相关系数，则宜采用保守的直线拟合方式，使所有数据点均落在该直线下方（即，从这条直线得出的任何给定温度的分辨率或偏差将确保在不确定度预算中得到保守值）。6.5.3通过上述方式得到的两组函数，仅可用于内插计算测量系统在中间温度下的分辨率与偏差误差，不宜外推至单点数据覆盖范围之外的温度区间。6.5.4当预计在完成全系列验证的时间段内，测量漂移（根据7.2）超过2℃或读数的2%（以较大者为准）时，本条款不宜使用。GB/Z213-2026/ISO/TS21913:202267长期测量漂移的评估7.1单点法（试验后测量）为最大程度确保在持续时间较长的单次或系列试验中测量结果的准确度，试验前后宜立即进行等温偏差误差验证（第5章）。注1：在等温疲劳试验中，通常认为持续时间超过100h的试验属于“持续时间较长”的试验。但对于某些试样与测量装置的组合，读数可能在更长或更短的时间内发生显著漂移。对于非等温或热机械疲劳试验，可能需考虑温度循环对漂移的影响，在典型循环条件下进行评估。根据参考测量系统，试验后验证所达到的恒温温度宜与初始验证温度相差在±5℃以内。这一要求既为温度控制系统的控制效果提供了一定容错空间，又能确保测量点具有可比性。测量漂移宜通过试验前后2次测量准确度的差值来确定。单点漂移值宜仅作为测试条件下总测量不确定度的一个组成部分。不宜将其用于对记录数据的修正。注2：通常无需对每一次试验都进行此项评估。该方法的优势在于，能明确特定关注试验期间发生的情况，且仅在需要时通过较简单的评估即可实现。其主要劣势是无法反映漂移随时间的分布情况。如，90％的测量漂移可能发生在试验前10％的时间内。7.2时间分布特征法（系统评估）7.2.1如要对漂移进行常规评估，可将代表性试样和测量系统置于某一温度下持续保持一段时间（对于热机械疲劳系统，则进行循环温度试验），并在此期间开展一系列验证测量。7.2.2所有纳入该分布特征的数据所对应的温度验证点，其温度波动宜控制在±5℃以内。每个测量漂移点宜通过当前测量准确度与试验初始准确度的差值来确定。7.2.3基于该漂移分布特征曲线可用于对在同等工况下开展的试验数据记录进行修正。8动态温度测量的验证8.1时间滞后8.1.1连续升／降温斜坡法此方法需进行偏差误差的多点评定（见6.5）。温度控制系统宜设置为适度的斜坡速率，且试验系统和参考系统均能在每5℃的升降温内至少记录10个读数。试验系统和参考系统宜连续收集数据。宜采用按6.5确定的偏差误差与温度关系对试验系统数据进行修正。宜用参考系统数据，识别出温度随时间呈线性变化且变化范围至少为20℃的数据段；时间滞后能定义为：参考系统数据与经校正的测试系统数据通过该温度范围中点时的时间差。8.1.2转折点法此方法需配备能实现显著变温速率的温度控制设备。温度控制系统宜设置为合适的升／降温序列，至少包括2个连续的升／降温速率，其温度时间斜率至少相差2倍（可是同向升温，也可是升温后保持恒温，或者反向升温）。升温速率和持续时间宜使试验系统和参考系统能够在每个升／降温阶段记录至少30个连续读数，试验系统和参考系统宜连续收集数据。转折点能确定为2个加热速率各线性拟合线的交点（对每个数据集使用相同的拟合方法）。GB/Z213-2026/ISO/TS21913:20227时间滞后宜为参考系统观察到的转折点与测量系统观察到的转折点之间的时间差（相关示意图见第4章的图1）。注：该时滞确定方法也可用于评估控制指令与表面温度变化之间的时滞，但这超出了本文件的适用范围，且控制设备和加热设备可能引起其他问题。8.2稳定时间当试样的热量流入或流出发生显著变化时，某些温度控制系统和测量装置的组合可能导致测量结果暂时不稳定或产生明显误差。稳定时间宜定义为温度指令信号中已识别的转折点，至恒定时间滞后或偏差误差重新建立时刻的时间间隔。注：在当前版本中，本文件并未强制要求对读数过高或过低的程度进行量化。建议读者，采用替代测量方法可能是最简单的解决办法。如不可行，在读数偏差足够稳定的情况下，有时也能对温度控制波形进行修正。9试验报告试验报告宜根据验证情况，包含以下相关信息：-指定温度下的测试系统偏差误差；—指定温度下的测试系统分辨率；—指定温度下的测试系统漂移；—测试系统详情；-参考系统详情；-加热系统详情；-试样几何形状和夹持方法详情；—试样材料。此外，动态温度测量报告还宜包括：—测试系统的时间滞后；—滞后时间的确定条件和所用方法；—指定温度下的测试系统稳定时间。GB/Z213-2026/ISO/TS21913:2022附录A（资料性）疲劳试验中试样温度测量的具体注意事项A.1热电偶连接方法A.1.1直接焊接到试样上实践表明，将热电偶直接焊接于试样表面是一种高度可靠的试样温度测量方法。设备制造商也推荐采用这种方式，尤其适用于温度控制系统的反馈测量。该方法的主要风险在于，焊接可能会对试样表面造成不可接受的损伤。此外，热电偶点焊操作对技能有一定要求，对于小型试样，操作难度会更高。关于热电偶的合理布置及热电偶丝的间距，见参考文献［14］。A.1.2护套式热电偶在多数情况下，实验室对小试样进行大量的等温试验，更倾向于使用细径带护套热电偶。这类电偶可自支撑和具有延展性，操作人员认为其耐用性好、易于重复使用并能与试样表面接触。热电偶探头尖端通过护套的弹性形变紧贴试件表面，或在某些情况下采用带有弹簧加载机构的刚性装置来固定探头。根据本文件的验证要求，这种测量方法的性能可能较差。主要原因是热电偶护套与试样相比，受热更充分且导热损失更小。使用者宜注意，这些影响会随目标温度和试样尺寸的不同而发生显著变化。A.1.3焊接固定端并绑扎于试件的热电偶此方法是焊接试样和使用自支撑设计之间的折衷办法。它既保留了直接点焊方式热质量小、受寄生效应影响小的优势，又能将对试样表面的损伤风险降至最低。然而，热电偶与试样表面的接触效果可能差异较大，且受操作人员技能影响显著，进而影响测量的重复性。A.2寄生效应对读数的影响热电偶引线外露可能导致加热过程中读数偏高，尤其是当使用大直径导线或金属护套时。这是由于额外热量吸收并传导至热电偶焊接头所致。此外，热电偶导线可能遮挡试样，使其无法充分接触冷却气流，导致测量结果无法代表试样整体状态。在采用辐射灯加热系统与风冷却组合进行循环温度控制（如热机械疲劳试验）的场景下，该效应需重点关注［16］。A.3热电偶的使用寿命已有明确证据表明，所有类型的热电偶均可能发生漂移，且在许多试验机应用场景中，这种漂移可能非常显著。研究表明，K型带护套热电偶在650℃下保温时，使用前500h内漂移量可能达3℃，且在数千小时的使用过程中，其响应持续显著下降［15］。在相同试验中，对R型参考热电偶进行定期校准后发现，其在3年研究中的累积漂移量小于1℃。已有案例显示，在热机械疲劳（TMF）试验中使用的N型热电偶会出现动态漂移。通过对热电偶导线的试验后校准证实了这一点：该热电偶导线最初在200℃～1000℃范围内进行校准，试验温度范围为300℃～700℃；在最长1397h的暴露后，在700℃下的最大漂移量较初始校准值增加了8GB/Z213-2026/ISO/TS21913:202291.14漂移问题不仅存在于带护套热电偶（主要归因于迁移和掺杂效应），也存在于分股导线热电偶（主要由退火和氧化效应导致）。除非在每次试验后将热电偶导线中经历过高温（300℃以上）的部分剪断，否则不建议重复使用热电偶导线。A.4非接触式测量方法目前最广泛使用的非接触式温度测量方法是基于试样表面的红外辐射。在这种情况下，认识到表面发射率在校准读数时的重要性是必要的，因为辐射通量是发射率与表面温度的函数的乘积。如使用裸金属试样，在大多数大气相关条件下，在测试温度下（以及在初始加热期间），随着氧化膜或其他金属化合物在试样表面形成和演变，发射率将在几分钟或几小时内发生变化。对于大多数金属，其原生发射率将大于0.85，而氧化物形成将导致5%~10％的变化，如不加以修正，则将导致温度读数有相当大的误差。此外，如试样加工采用高度抛光而不是精细研磨（参考GB/T3075[1］和GB/T26077[5］推荐研磨），发射率可能低至0.2，不仅会导致信噪比变差，还会使氧化带来的问题更为严重。最简单的解决方案是在试样表面涂覆一层薄涂层，该涂层需能承受试验期间的温度范围和表面应变。常采用高碳含量、有机粘结剂含量极低的黑色涂料，而基于其他高热稳定性无机化合物的“灰色”涂料也可达到相同效果。这类涂层已有商用产品，且实践证明其效果良好［16］。在某些情况下，施加涂层可能被视为不可接受。如环境因素会对疲劳寿命产生影响。在这种情况下，宜测量由此产生的漂移量。如不进行校正，所造成的误差水平将被认为是不可接受的［16］。校正程序既可在线进行，也可试验后进行，但无论哪种方式，均宜根据发射率的变化对读数进行重新校准。可通过以下两种方式实现：a）采用本文件6.2所述方法生成的随时间温度变化的参考曲线；b）以类似于本文件5.2所述基本验证的方式，对独立测量（例如使用热电偶或小面积恒定发射率涂层）持续进行比较。A.5试验期间试样温度的变化在疲劳试验加载条件下，即使环境条件完全恒定，试样温度在试验过程中也可能发生变化。造成这一点的两个主要原因是每个循环内的热弹性温度变化，以及将机械功转化为热能（有时也称为剪切或粘性加热）。在试验过程中，使用经过验证的温度测量方法记录到的试样温度变化，并不一定表明设备出现故障。热弹性效应是19世纪汤姆逊（开尔文勋爵）的研究成果［18]，是一种已被充分证实的现象。近几十年，随着高分辨率热成像技术的出现，热弹性效应成为一个公认的评估应力分布技术的基础，目前该技术已根据GB/T43413[7］实现标准化。在绝热弹性条件下，公认的热弹性关系在弹塑性条件（如低周疲劳和热机械疲劳中常见的条件）下可能并不完全适用，但它们清楚地表明，温度变化的量级可能超过1K(1℃），这在单调试验［19］中的其他测量中得到了证实。在超声波加载频率下的超高周疲劳试验中［20]，或在聚合物基复合材料的疲劳试验中（如依据ISO13003[9])，由于能量耗散导致的试样升温现象更为常见。在环境温度下进行中高频高周疲劳试验时，试样在试验过程中可能明显变热。在弹塑性加载条件下，这种情况也会出现，即使在高温炉内，试样温度在加载的最初几分钟内也会升高。在以上所有情况下，如果环境条件（如炉温、通过夹具的热损失）保持恒定，而试样承受循环载荷，则试样的平衡平均温度与无载荷状态下的温度会产生微小但可测量的差异。GB/Z213—2026/ISO/TS21913:202210参考文献［1]GB/T3075金属材料疲劳试验轴向力控制方法［2]GB/T12160金属材料单轴试验用引伸计系统的标定［3]GB/T16825.1金属材料静力单轴试验机的检验与校准第1部分：拉力和（或）压力试验机测力系统的检验与校准［4]GB/T25917.1单轴疲劳试验系统第1部分：动态力校准［5]GB/T26077金属材料疲劳试验轴向应变控制方法［6]GB/T33812金属材料疲劳试验应变控制热机械疲劳试验方法［7]GB/T43413无损检测红外热成像检测热弹性应力测量方法通则［8]GB/T45166无损检测红外热成像检测总则[9]ISO13003Fibre-reinforcedplastics—Determinationoffatiguepropertiesundercyclicloadingconditions[10]ISO18251-1Non-destructivetesting—Infraredthermography—Part1:Characteristicsofsystemandequipment[11]ASTME220StandardTestMethodforCalibrationofThermocouplesByComparisonTechniques[12]ASTME1933StandardPracticeforMeasuringandCompensatingforEmissivityUsingInfraredImagingRadiometers[13]ASTME2846StandardGuideforThermocoupleVerification[14]EUR22281EN-DGJRC-InstituteforEnergy:ValidatedCode-of-PracticeforS