CN111650062A - 金属材料的等幅总应变-寿命曲线的分段式测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料力学性能测试领域，尤其涉及一种金属材料的等幅总应变‑寿命曲线的分段式测试方法。本发明的金属材料的等幅总应变‑寿命曲线的分段式测试方法，首先按照总应变幅值从大到小的顺序设定N个应变级进行应变控制，每个应变级均进行弹塑性应变分离，直至采集到第m个应变级的循环寿命在7～13万次后停止应变控制试验，以第m个应变级的应力幅值作为应力控制的起始应力幅值开始对接下来的试样进行应力控制，采集应变控制和应力控制过程中的弹性应变幅值、塑性应变幅值、循环寿命参数，然后根据采集到的参数进行幂函数拟合得到等幅总应变‑寿命曲线；本发明不仅能够明显缩短测试的周期，而且测试过程易于操作，得到的数据科学可靠。

Description

金属材料的等幅总应变-寿命曲线的分段式测试方法

技术领域

本发明涉及金属材料力学性能测试领域，尤其涉及一种金属材料的等幅总应变-寿命曲线的分段式测试方法。

背景技术

金属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，更多客户进行设计时要求提供金属材料不同寿命阶段的应变-寿命曲线，测量材料不同应变对应的寿命作为数据支撑。

目前金属材料等幅总应变-寿命测试方法有多种，如申请号为201910655955.3的“金属材料等副全应变-寿命曲线测试方法”中记载的“针对循环寿命大于10万次的长寿命疲劳试验提出两段式控制方法，开始循环5万次用应变控制，然后以循环5万次对应的应力幅作为控制力值，转化为应力控制疲劳试验，直至循环到停机条件。”由于需对同一个试样进行两种控制方法，在试验中需切换不同的仪器进行测试，不仅增加测试难度，降低测试的效率，而且需多次调试仪器，对结果容易产生较大的误差。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种金属材料的等幅总应变-寿命曲线的分段式测试方法，不仅能够明显缩短测试的周期，而且测试过程易于操作，得到的等幅总应变-寿命曲线科学可靠。

为实现上述目的，本发明所设计的金属材料的等幅总应变-寿命曲线的分段式测试方法，包括步骤：

步骤一，制样：对疲劳试样进行加工和表面处理；

步骤二，首先进行应变控制：通过引伸计控制总应变幅值Δε_t/2的大小，并且按照总应变幅值Δε_t/2从大到小的顺序设定N个应变级，每个应变级均进行弹塑性应变分离，采集每个应变级对应的弹性应变幅值Δε_e/2、塑性应变幅值Δε_p/2、循环寿命N_f、应力幅值Δσ/2、弹性模量参数；当采集到第m个应变级的循环寿命N_f在7万次～13万次时停止应变控制试验，开始进行应力控制；

步骤三，应力控制：控制应力幅值Δσ/2的大小，且以第m个应变级对应的应力幅值Δσ/2作为应力控制的起始应力幅值，设定X个应力级，采集总应变幅值，通过计算获取弹性应变幅值ε_e/2和塑性应变幅值Δε_p/2；

步骤四，公式的拟合：将应变控制和应力控制中获取的弹性应变幅值Δε_e/2和对应的循环寿命N_f进行幂函数拟合，得到弹性应变拟合公式；将应变控制和应力控制中获取的塑性应变幅值Δε_p/2和对应的循环寿命N_f进行幂函数拟合，得到塑性应变拟合公式；最后整合弹性应变拟合公式和塑性应变拟合公式得到等幅总应变-寿命曲线公式，通过等幅总应变-寿命曲线公式绘制等幅总应变-寿命曲线。

作为优选方案，所述步骤一中，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，疲劳试样的上下表面保留原状态，两侧表面光洁度要达到标准的要求。

作为优选方案，所述步骤二中，N个应变级中最大应变级对应的总应变幅值Δε_t/2为10‰，相邻两个应变级的应变梯度为0.1‰～2‰，N≥4，每个应变级的有效数据点不少于3个，且试验频率0.1Hz～3Hz。

作为优选方案，所述步骤三中，X≥3，相邻两个应力梯度为5MPa～30MPa，每个应力级的有效数据点不少于3个，试验频率为3Hz～20Hz。

作为优选方案，所述步骤三中，弹性应变幅值ε_e/2由应力幅值Δσ/2除以动态弹性模量所得，塑性应变幅值Δε_p/2为总应变幅值Δε_t/2减去弹性应变幅值Δε_e/2。

作为优选方案，所述步骤二和步骤三中，界定循环寿命5×10⁶次或载荷下降10％～20％作为试验停机条件，即材料在一定应力下循环5×10⁶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10％～20％时，认为该试样已失效。

本发明的优点在于：与现有等幅总应变-寿命测试方法相比，本发明的金属材料的等幅总应变-寿命曲线的分段式测试方法，首先按照总应变幅值从大到小的顺序对多个试样进行应变控制，直至采集到试样A的循环寿命在7万次～13万次停止应变控制试验，以试样A对应的应力幅值作为应力控制的起始应力幅值开始对接下来的试样进行应力控制，采集应变控制和应力控制过程中的弹性应变幅值、塑性应变幅值、循环寿命参数，然后根据采集到的参数进行幂函数拟合得到等幅总应变-寿命曲线，本发明针对同一材料只需进行一种控制方法，节省测试时间，降低了测试的误差。

附图说明

图1为等幅总应变-寿命曲线图；图中Δε_e/2表示弹性应变拟合曲线，Δε_p/2表示塑性应变拟合曲线，Δε_t/2表示等幅总应变-寿命曲线。

具体实施方式

为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。

实施例

步骤一，制样：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，疲劳试样的上下表面保留原状态，量侧表面光洁度要达到标准的要求。

步骤二，应变控制：结合表1，试样1#至试样22#全部进行应变控制，其中应变梯度为0.1‰～2‰，最大总应变幅值Δε_t/2为10‰，应变控制的停机条件为载荷下降10％～20％；每个试样的应变控制中均进行弹塑性分离，收集每一应变级对应的弹性应变幅值Δε_e/2、塑性应变幅值Δε_p/2、循环寿命N_f、应力幅值Δσ/2、弹性模量参数；具体地说，首先对21#试样进行应变控制，采用接触式引伸计控制总应变幅值Δε_t/2，设定21#试样的总应变幅值Δε_t/2为0.010000mm/mm，收集21#试样应变控制中弹性应变幅值Δε_e/2、塑性应变幅值Δε_p/2、循环寿命N_f、应力幅值Δσ/2、弹性模量参数，其中循环寿命N_f为1034，未达到7万次～13万次，因此对1#试样继续进行应变控制，设定总应幅值Δε_t/2为0.003mm/mm，收集1#试样应变控制中弹性应变幅值Δε_e/2、塑性应变幅值Δε_p/2、循环寿命N_f、应力幅值Δσ/2、弹性模量参数，其中循环寿命N_f为26886，仍未达到7万次～13万次，因此继续对新试样进行应变控制，直至9#试样，9#试样设定的总应幅值Δε_t/2为0.002mm/mm，采集到弹性应变幅值Δε_e/2为0.001722，塑性应变幅值Δε_p/2为0.000279，应力幅值Δσ/2为317.67，循环寿命N_f为109324，符合N_f在7万次～13万次；接下来以9#试样对应的幅值Δσ/2作为起始应力幅值，开始对编号为11、12、13、17试样应力控制；本实施例以循环寿命N_f为109324为转折点，切换应力控制的原因是，长寿命阶段对应变的变化很敏感，应变万分之一的变化都可能引起应力大幅度变化，如继续采用应变控制试验很难控制，而且试验的时间非常长。

步骤三，应力控制：以应力幅值Δσ/2为315MPa为起始值进行应力控制，设定四个应力级，分别为315MPa、320MPa、325MPa、330MPa；结合表1中的数据，试样编号为5、7、9、11、12、13、17、21～28全部进行应力控制，每个应力级的有效数据点不少于3个，相邻应力之间的应力梯度为5MPa，试验频率为15Hz，停机条件为循环寿命5×10⁶次或载荷下降10％～20％，材料在一定应力下循环5×10⁶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10％～20％时，认为该试样已失效。每个试样的应力控制中利用引伸计采集总应变幅值Δε_t/2，弹性应变幅值ε_e/2由应力幅值Δσ/2除以动态弹性模量所得，塑性应变幅值Δε_p/2为总应变幅值Δε_t/2减去弹性应变幅值Δε_e/2，当塑性应变幅值Δε_p/2小于万分之一时，其值可忽略，即弹性应变幅值Δε_e/2等于总应变幅值Δε_t/2。

步骤四，公式的拟合：将所有试样采集或计算得到的总应变幅值Δε_t/2、弹性应变幅值Δε_e/2、塑性应变幅值Δε_p/2、应力幅值Δσ/2、循环寿命N_f等数据统计在表1中，弹性应变幅值Δε_e/2、塑性应变幅值Δε_p/2与对应的循环寿命N_f分别在双对数坐标中进行幂函数拟合，得到弹性应变拟合公式(Ⅰ)和塑性应变拟合公式(Ⅱ)；

Δε_e＝0.0087(2N_f)^-0.129 (Ⅰ)

Δε_p＝0.2701(2N_f)^-0.516 (Ⅱ)

将弹性阶段的拟合公式(Ⅰ)和塑性阶段的拟合公式(Ⅱ)相加即得到等幅总应变-寿命曲线公式(Ⅲ)

Δε_t/2＝0.0087(2N_f)^-0.129+0.2701(2N_f)^-0..516 (Ⅲ)

根据以上弹性应变拟合公式(Ⅰ)、塑性应变拟合公式(Ⅱ)和等幅总应变-寿命曲线公式(Ⅲ)，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得到如图1所示的弹性应变拟合曲线、塑性应变拟合曲线和等幅总应变-寿命曲线。

表1某金属薄板的应变-寿命疲劳试验数据点

与现有金属材料的等幅总应变-寿命曲线测定方法相比，本实施例的金属材料的等幅总应变-寿命曲线的分段式测试方法具有以下优点：

(1)本实施例中针对不同循环寿命采用分段式控制方法，可降低测试时间，节约经济成本。

(2)本发明以循环寿命在7万次～13万次之间的任一数值(本实施例中为109324)为应变控制和应力控制的切换转折点，不仅能方便操作，而且符合材料的疲劳特性。

(3)在应力控制中，本申请提出弹塑性应变分离的方法。弹性应变幅值ε_e/2由应力幅值Δσ/2除以动态弹性模量所得，而非传统的弹性应变幅值ε_e/2由应力幅值除以静态弹性模量所得，降低了计算误差。塑性应变幅值等于采集到的总应变幅值减去弹性应变幅值。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.金属材料的等幅总应变-寿命曲线的分段式测试方法，包括步骤：

步骤一，制样：对疲劳试样进行加工和表面处理；

步骤二，首先进行应变控制：通过引伸计控制总应变幅值的大小，并且按照总应变幅值从大到小的顺序设定N个应变级，每个应变级均进行弹塑性应变分离，采集每个应变级对应的弹性应变幅值、塑性应变幅值、循环寿命、应力幅值、弹性模量参数；当采集到第m个应变级的循环寿命在7万次～13万次时停止应变控制试验，开始进行应力控制；

步骤三，应力控制：控制应力幅值的大小，且以第m个应变级对应的应力幅值作为应力控制的起始应力幅值，设定X个应力级，采集每个应力级的总应变幅值，通过计算获取弹性应变幅值和塑性应变幅值；

步骤四，公式的拟合：将应变控制和应力控制中获取的弹性应变幅值和对应的循环寿命进行幂函数拟合，得到弹性应变拟合公式；将应变控制和应力控制中获取的塑性应变幅值和对应的循环寿命进行幂函数拟合，得到塑性应变拟合公式；最后整合弹性应变拟合公式和塑性应变拟合公式得到等幅总应变-寿命曲线公式，通过等幅总应变-寿命曲线公式绘制等幅总应变-寿命曲线。

2.根据权利要求1所述的金属材料的等幅总应变-寿命曲线的分段式测试方法，其特征在于，所述步骤一中，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，疲劳试样的上下表面保留原状态，两侧表面光洁度要达到标准的要求。

3.根据权利要求1所述的金属材料的等幅总应变-寿命曲线的分段式测试方法，其特征在于，所述步骤二中，N个应变级中最大应变级对应的总应变幅值为10‰，相邻两个应变级的应变梯度为0.1‰～2‰，N≥4，每个应变级的有效数据点不少于3个，且试验频率0.1Hz～3Hz。

4.根据权利要求1所述的金属材料的等幅总应变-寿命曲线的分段式测试方法，其特征在于，所述步骤三中，X≥3，相邻两个应力梯度为5MPa～30MPa，每个应力级的有效数据点不少于3个，试验频率为3Hz～20Hz。

5.根据权利要求1所述的金属材料的等幅总应变-寿命曲线的分段式测试方法，其特征在于，所述步骤三中，弹性应变幅值由应力幅值除以动态弹性模量所得，塑性应变幅值为总应变幅值减去弹性应变幅值。

6.根据权利要求1所述的金属材料的等幅总应变-寿命曲线的分段式测试方法，其特征在于，所述步骤二和步骤三中，界定循环寿命5×10⁶次或载荷下降10％～20％作为试验停机条件，即材料在一定应力下循环5×10⁶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10％～20％时，认为该试样已失效。

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