CN110398430A - 金属材料等幅全应变-寿命曲线测试方法 - Google Patents

金属材料等幅全应变-寿命曲线测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属材料等幅全应变‑寿命曲线测试方法，1、对试样加工和表面处理；2、进行短寿命疲劳测试，循环寿命小于10万次时，采用引伸计进行应变控制，试验频率0.1Hz～1Hz；3、测试总应变幅值大于3‰的不同应变幅值下的循环寿命，用应变幅值控制试验，频率为0.1Hz～1Hz之间；4、在总应变幅值1‰～3‰的范围内确定短寿命疲劳到长寿命疲劳的转变点对应的应变幅值；5、进行长寿命疲劳测试，5万次内的第一阶段采用引伸计进行应变控制，试验频率0.1Hz～1Hz之间；大于5万次的第二阶段，采用应力控制，试验频率10Hz～25Hz之间，选择用循环5万次所对应的应力幅值作为第二阶段的应力控制幅值；6、拟合总应变‑寿命公式。通过本发明方法能得到金属材料的全应变‑寿命曲线。

Description

金属材料等幅全应变-寿命曲线测试方法
技术领域
本发明涉及金属材料力学性能测试技术领域，具体涉及金属材料加载比为-1的全应变-寿命曲线即ε-N曲线的测试方法。
背景技术
随着结构件设计理念的变化，越来越多的客户进行设计时要求提供金属材料的全应变-寿命曲线。该曲线包括低应力小应变下的高周疲劳特征和高应力大应变下的低周疲劳特征，将材料的高周疲劳和低周疲劳性能统一起来，用应变-寿命曲线进行表征。而传统所说的应变-寿命曲线主要用于描述材料高应力大应变下的低周疲劳行为，低应力的高周疲劳行为用应力-寿命曲线来描述。
结构件在使用过程中，各个部位所承受的变形量不同，有些部件承受较大的变形量，有些部件承受较小的变形量，若要在设计时能合理评估其不同部位的安全使用寿命，就必须依附材料不同应变量所对应的寿命，因此，需要测量材料的全应变-寿命曲线作为数据支撑。
目前国家关于疲劳寿命曲线的测试标准主要有四个，国家标准GB/T 15248-2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》和GB/T 26077-2010《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》主要适用于材料发生较大应变时，试验过程应变控制，循环寿命低于105次的低周疲劳试验测试；GB/T 3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》和GB/T 26076-2010《金属薄板(带)轴向力控制疲劳试验方法》规定了应力控制的高周疲劳试验条件，循环寿命一般在105～107之间，得到的是应力-寿命曲线。
关于全应变-寿命曲线是个全新概念，关于这方面的文献非常少，文献《Characterization of the strain-life fatigue properties of thin sheet metalusing an optical extensometer》中提出用光学引伸计测试薄板的应变-寿命曲线。该方法采用位移控制模式，在试样的平行段做两个标记点，通过DIC数字采集系统拍照跟踪试验过程中两个标记点距离的变化，从而推算出应变量。该方法不是应变控制，而位移转换的应变误差较大，同时不能精确分离弹塑性应变大小。而且数字采集系统的频率有限，大量数据很难采集完整。
综上所述，金属材料的全应变-寿命曲线是结构设计中所必需的基础数据，而目前国内外标准和文献中还没有关于其测试方法的规定和研究。金属材料全应变-寿命曲线测试技术难点在于：1)该试验过程中设计到大应变的短寿命疲劳和小应变的长寿命疲劳，如何准确选择两个阶段不同的试验控制方法是技术关键点和难点。2)基于试验周期和试验手段的考虑，目前还不可能将长寿命的疲劳试验完全用应变控制，应变控制疲劳试验，频率低，需要时间长，效率非常低。3)金属材料的疲劳性能都存在频率效应，目前还没有界定一个对疲劳性能测试结果影响较小的频率范围；4)还没有界定材料短寿命和长寿命转折点对应的应变范围。5)针对不同的试验控制方式，会改变原有的应变-寿命曲线数据处理方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种金属材料等幅全应变-寿命曲线测试方法，能有效解决以上技术难点。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种金属材料等幅全应变-寿命曲线测试方法，该测试方法包括以下步骤：
步骤1、对疲劳试样进行加工和表面处理；
步骤2、进行短寿命疲劳测试：当试样的循环寿命小于10万次时，即本发明所说的短寿命，采用引伸计进行应变控制，试验频率0.1Hz～1Hz之间；选择总应变幅值大于3‰的不同应变幅值进行试验，总应变幅值大于3‰的情况下，循环寿命小于5万次，应变梯度为1‰～2‰，至少选择四个应变级进行测试，每个应变级的有效数据点不少于3个；
步骤3、测试总应变幅值大于3‰的不同应变幅值下的循环寿命，用应变幅值控制试验，频率为0.1Hz～1Hz之间；
步骤4、在总应变幅值1‰～3‰的范围内确定短寿命疲劳到长寿命疲劳的转变点对应的应变幅值，确定原则是：循环寿命大于5万次时，相邻应变之间的梯度为0.1‰～0.2‰，循环寿命在7万次～12万次范围内对应的应变幅值都可以作为短寿命和长寿命转折的应变点；
步骤5、进行长寿命疲劳测试：当试样循环寿命大于10万次时，即本发明所说的长寿命，5万次内的第一阶段采用引伸计进行应变控制，试验频率0.1Hz～1Hz之间；大于5万次的第二阶段，采用应力控制，试验频率10Hz～25Hz之间，选择用循环5万次所对应的应力幅值作为第二阶段的应力控制幅值；进行长寿命疲劳测试时，相邻应变之间的梯度为0.1‰～0.2‰，至少选择四个应变级进行测试，每个应变级的有效数据点不少于3个；在选定的应变幅值控制下，循环至5万次停机，再以此刻对应的应力幅值作为控制应力，继续进行疲劳试验，直至循环到设定的停机条件；
步骤6、通过计算软件自动对总应变进行塑性应变和弹性应变分离，将分离后的弹塑性应变与对应的循环寿命分别在双对数坐标中进行幂函数拟合，得出相应的疲劳强度系数、疲劳强度指数、疲劳延性系数和疲劳延性指数。
上述方案中，步骤1中，试样加工和表面处理参照GB/T 26077-2010《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》的要求进行，试样的表面光洁度要达到标准的要求。
上述方案中，步骤5中，界定循环寿命1×107次或载荷下降20％～30％作为试验停机条件，即材料在一定应力下循环1×107次不失效，就认为材料在该应力下永久不会失效；或控制应力下降20％～30％时，认为该试样已失效。
上述方案中，步骤6中，在短寿命的应变控制阶段，取二分之一疲劳寿命对应的弹性应变幅值εe和塑性应变幅值εp进行曲线拟合；在长寿命的疲劳性能测试阶段，取应变控制的5万次对应的弹性应变幅值εe和塑性应变幅值εp进行曲线拟合，曲线方程用应变幅值与循环寿命的反向数来表征。
上述方案中，总应变与循环寿命的曲线公式将由弹性阶段的拟合公式与塑性阶段的拟合公式两部分组成。
本发明的有益效果在于：
1)本发明针对循环寿命大于10万次的长寿命疲劳试验提出了两段式控制方法，开始循环5万次用应变控制，这是为了能得到该应变下的弹性应变、塑性应变和应力幅值；然后以循环5万次对应的应力幅作为控制力值，转为应力控制疲劳试验，直至循环到停机条件为止。这样既得到了应变与寿命的关系，又提高了试验效率。
2)本方法界定了在全应变-寿命曲线测试过程中应变控制疲劳和应力控制疲劳的频率范围。应变控制疲劳的试验频率0.1Hz～1Hz之间；应力控制疲劳的试验频率10Hz～25Hz之间。该频率范围对疲劳性能测试结果的影响最小。
3)本发明界定了材料循环寿命小于10万次的短寿命和循环寿命大于10万次的长寿命交界处对应的应变范围为1‰～3‰，以便能高效确定应变控制和应力控制两种控制方法的转折点。
4)本发明规定了材料全应变-寿命曲线测试过程中应变级的选择原则。应变幅值大于3‰时，循环周命小于5万次，应变梯度为1‰～2‰，至少选择四个应变级进行测试，每个应变级的有效数据点不少于3个。然后在1‰～3‰的范围内确定短寿命和长寿命转变点对应的应变幅值。进行长寿命疲劳性能测试时，相邻应变之间的梯度为0.1‰～0.2‰。至少选择四个应变级进行测试，每个应变级的有效数据点不少于3个。应变级的选择是材料全应变-寿命曲线测试过程中的技术要点，没有选择合适的应变级，将得不到科学合理的全应变-寿命曲线。
5)本发明给出了短寿命疲劳和长寿命疲劳转变点对应的应变幅值的确定原则。当循环寿命大于5万次时，每隔约0.1‰～0.2‰的应变进行测试。循环寿命在7万次～12万次范围内对应的应变幅值都可以作为短寿命和长寿命转折的应变点。这个转折点是本发明的技术创新点，只有转折点确定了，才能确定测试过程中从应变控制转向应力控制，当应变幅值小于这个转折点时，采用两段式的长寿命测试方法；当应变幅值大于这个转折点时，采用应变控制的短寿命测试方法。
6)本发明规定了全应变-寿命曲线数据处理方法。在短寿命阶段，应变控制疲劳，取二分之一疲劳寿命对应的弹性应变幅值和塑性应变幅值进行曲线拟合；在长寿命阶段，取应变控制的5万次对应的弹性应变幅值和塑性应变幅值进行曲线拟合，该应变下的循环寿命是应变控制的5万次与应力控制的循环寿命之和。目前针对全应变-寿命曲线还没有规范的处理方法，特别是长寿命应力控制阶段的弹性应变幅值、塑性应变幅值的计算是技术难点。该方法能有效得到长寿命阶段的弹性应变幅值、塑性应变幅值和总应变幅值。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中弹性应变拟合曲线、塑性应变拟合曲线和总应变拟合曲线。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现以某金属薄板为试验对象进行疲劳试验来详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提出的金属材料等幅全应变-寿命曲线测试方法，具体包括以下步骤：
步骤1、按照GB/T 26077-2010《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》加工疲劳试样，试样的表面光洁度要达到标准的要求。
步骤2、进行短寿命疲劳测试：选择总应变幅值大于3‰的不同应变幅值进行试验，应变梯度为1‰～2‰，因此选择的控制应变幅分别为3‰、4‰、6‰、8‰、10‰。由于应变10‰对应的循环周次只有几百次，所以不必要再进行下一级别的试验。
步骤3、测试总应变幅值大于3‰的不同应变幅值下的循环寿命，用应变幅值控制试验，频率为0.5Hz；
步骤4、确定循环周次大于10万次对应的应变幅值为2.85‰,对应的循环周次为83210次。
步骤5、进行长寿命疲劳测试：选择总应变幅值小于2.85‰的不同应变幅值进行试验，相邻应变之间的梯度为0.1‰～0.2‰，本试验分别选择应变幅值为2.75‰、2.6‰、2.4‰、2.25‰，应变控制循环到5万次停止，用5万次对应的应力幅值进行应力控制，继续试验，试验频率为20Hz，直至试样失效为止。
步骤6、通过疲劳软件对每一应变进行弹塑性分离，分别得出每一应变级对应的弹性应变幅值εe、塑性应变幅值εp、应力幅值、循环寿命、动态弹性模量等参数。利用上述方法具体测得的数据点如表1所示。
表1某金属薄板应变-寿命疲劳试验数据点
当循环周次小于10万次时，取二分之一疲劳寿命对应的弹性应变幅值和塑性应变幅值进行曲线拟合；当循环周次大于10万次时，取5万次对应的弹性应变幅值εe和塑性应变幅值εp进行曲线拟合。
根据得到的不同的弹性应变幅值和塑性应变幅值与对应的循环寿命，在双对数坐标系中进行幂指数拟合，得出相应的拟合公式，从而确定了疲劳强度系数、疲劳强度指数、疲劳延性系数和疲劳延性指数。
弹性段的拟合公式为：Δεe＝0.0165(2Nf)-0.136 (1)
相关系数为R＝-0.979＝-97.9％；材料静态弹性模量约为194GPa，疲劳强度系数σf′＝0.0165*194*1000＝3201/MPa；疲劳强度指数b为-0.136。
塑性段的拟合公式为：Δεp＝0.22(2Nf)-0.693 (2)
相关系数为R＝-0.956＝-95.6％；疲劳延性系数εf′为0.22；疲劳延性指数c为-0.693。
总应变幅值与循环寿命的拟合公式由弹性应变幅值与循环寿命的拟合公式和塑性应变幅值与循环寿命的拟合公式两部分组成，公式如下：
总应变-寿命曲线公式：Δεt＝0.22(2Nf)-0.693+0.0165(2Nf)-0.136 (3)
根据总应变-寿命的公式，假定不同的寿命，算出对应的总应变，将这些虚拟的数据点连接出总应变-寿命曲线，该曲线呈幂指数曲线形状。弹性应变拟合曲线、塑性应变拟合曲线和总应变拟合曲线如图1所示。
弹性应变幅值与循环寿命的拟合公式和塑性应变幅值与循环寿命拟合公式的线性相关系数越大，说明测试结果的可靠性越高。利用本发明方法得出的上述两拟合公式(1)和(2)的相关系数均大于95％，而传统方法得到的线性相关系数仅大于85％，这说明利用本方法得到的试验结果是科学可靠的。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种金属材料等幅全应变-寿命曲线测试方法，其特征在于，该测试方法包括以下步骤：
步骤1、对疲劳试样进行加工和表面处理；
步骤2、进行短寿命疲劳测试：当试样的循环寿命小于10万次时，即本发明所说的短寿命，采用引伸计进行应变控制，试验频率0.1Hz～1Hz之间；选择总应变幅值大于3‰的不同应变幅值进行试验，总应变幅值大于3‰的情况下，循环寿命小于5万次，应变梯度为1‰～2‰，至少选择四个应变级进行测试，每个应变级的有效数据点不少于3个；
步骤3、测试总应变幅值大于3‰的不同应变幅值下的循环寿命，用应变幅值控制试验，频率为0.1Hz～1Hz之间；
步骤4、在总应变幅值1‰～3‰的范围内确定短寿命疲劳到长寿命疲劳的转变点对应的应变幅值，确定原则是：循环寿命大于5万次时，相邻应变之间的梯度为0.1‰～0.2‰，循环寿命在7万次～12万次范围内对应的应变幅值都可以作为短寿命和长寿命转折的应变点；
步骤5、进行长寿命疲劳测试：当试样循环寿命大于10万次时，即本发明所说的长寿命，5万次内的第一阶段采用引伸计进行应变控制，试验频率0.1Hz～1Hz之间；大于5万次的第二阶段，采用应力控制，试验频率10Hz～25Hz之间，选择用循环5万次所对应的应力幅值作为第二阶段的应力控制幅值；进行长寿命疲劳测试时，相邻应变之间的梯度为0.1‰～0.2‰，至少选择四个应变级进行测试，每个应变级的有效数据点不少于3个；在选定的应变幅值控制下，循环至5万次停机，再以此刻对应的应力幅值作为控制应力，继续进行疲劳试验，直至循环到设定的停机条件；
步骤6、通过计算软件自动对总应变进行塑性应变和弹性应变分离，将分离后的弹塑性应变与对应的循环寿命分别在双对数坐标中进行幂函数拟合，得出相应的疲劳强度系数、疲劳强度指数、疲劳延性系数和疲劳延性指数。
2.根据权利要求1所述的金属材料等幅全应变-寿命曲线测试方法，其特征在于，步骤1中，试样加工和表面处理参照GB/T 26077-2010《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》的要求进行，试样的表面光洁度要达到标准的要求。
3.根据权利要求1所述的金属材料等幅全应变-寿命曲线测试方法，其特征在于，步骤5中，界定循环寿命1×107次或载荷下降20％～30％作为试验停机条件，即材料在一定应力下循环1×107次不失效，就认为材料在该应力下永久不会失效；或控制应力下降20％～30％时，认为该试样已失效。
4.根据权利要求1所述的金属材料等幅全应变-寿命曲线测试方法，其特征在于，步骤6中，在短寿命的应变控制阶段，取二分之一疲劳寿命对应的弹性应变幅值εe和塑性应变幅值εp进行曲线拟合；在长寿命的疲劳性能测试阶段，取应变控制的5万次对应的弹性应变幅值εe和塑性应变幅值εp进行曲线拟合，曲线方程用应变幅值与循环寿命的反向数来表征。
5.根据权利要求4所述的金属材料等幅全应变-寿命曲线测试方法，其特征在于，总应变与循环寿命的曲线公式将由弹性阶段的拟合公式与塑性阶段的拟合公式两部分组成。
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