GB/T 43111-2023 炭素材料 疲劳试验 轴向力控制方法

　　ICS 29 . 050 CCS Q 52

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 431 1 1—2023

　　炭素材料 疲劳试验 轴向力控制方法

　　Carbon materials—Fatigue testing—Axial force-controlled method

　　2023-09-07 发布 2024-04-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 431 1 1—2023

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国钢铁工业协会提出 。

　　本文件由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC183)归口 。

　　本文件起草单位:中钢新型材料股份有限公司 、中国科学院金属研究所 、西安超码科技有限公司 、清华大学深圳国际研究生院 、冶金工业信息标准研究院 。

　　本文件主要起草人:杨辉 、段启强 、许汉春 、王晓远 、程皓 、徐建平 、赵大明 、王学刚 、张灵玉 、周相海 。

　　I

　　GB/T 431 1 1—2023

　　炭素材料 疲劳试验 轴向力控制方法

　　1 范围

　　本文件规定了炭素材料疲劳试验轴向力控制方法的原理 、仪器设备 、试样 、试验步骤 、试验结果和试验报告。

　　本文件适用于室温下石墨材料轴向等幅力控制的疲劳试验 , 包括条件疲劳极限计算 、等寿命图以及应力-寿命曲线获取。 其他炭素材料可参照使用。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中 , 注 日期的引用文件 , 仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件 , 其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 1427 炭素材料取样方法

　　GB/T 34104 金属材料 试验机加载同轴度的检验

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。 3.1

　　最大应力 maximum stress

　　s max

　　在应力循环中具有最大代数值的应力。 3.2

　　最小应力 minimum stress

　　s min

　　在应力循环中具有最小代数值的应力。 3.3

　　应力比 stress ratio

　　Rs

　　在疲劳试验中任一个单循环的最小应力和最大应力比值。 3.4

　　应力台阶 stress step

　　ds

　　当用升降法进行试验时 , 相邻应力水平之间的差值。 3.5

　　应力循环 stress cycle

　　应力随时间周期性的等幅变化。

　　1

　　GB/T 431 1 1—2023

　　3.6

　　循环次数 number of cycles

　　N

　　应力-时间 , 应变-时间等函数的最小循环周期性重复的次数 。

　　3.7

　　疲劳寿命 fatigue life

　　Nf

　　按规定的失效准则试验时达到的循环数 。

　　3.8

　　疲劳极限 fatigue limit

　　无限寿命下的疲劳强度 。

　　3.9

　　自 由度 degree of freedom

　　V

　　总的试验项数(n)减去估计的参数 。

　　注 : 通过概率统计方法计算疲劳极限时的 自 由度为 n—1 , 对应力-寿命曲线高应力部分分析时的 自 由度为 n—2 。

　　3 . 10

　　古德曼图 Goodman diagram

　　受交变应力的材料 , 在等寿命(等破坏循环次数)的条件下 , 其平均应力与最大应力和最小应力的关系曲线 。

　　注 : 古德曼图也称 Goodman 图 。

　　3 . 1 1

　　应力-寿命曲线 s-N curve

　　以材料疲劳强度为纵坐标 , 以疲劳寿命的对数值为横坐标 , 表示一定循环特征下材料的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线 。

　　注 : 应力-寿命曲线也称 S-N 曲线 。

　　4 原理

　　以恒定的应力比和频率沿试样轴向方向施加交变循环应力 , 按一定方式持续至试样失效 , 对试验结果进行分析处理 , 获得古德曼图等寿命曲线以及应力-寿命曲线 。

　　5 仪器设备

　　5 . 1 疲劳试验机:力传感器精度优于 0. 5% , 试验力应在传感器量程的 10%~90%之间 , 夹具应能固定且不损伤试样 , 同轴度应符合 GB/T 34104 检验要求 。

　　5 . 2 干燥箱:具有自动调温装置 , 能保持温度在 105 ℃ ~110 ℃ 。

　　5 . 3 游标卡尺:测量范围 0 mm~200 mm , 精度 0. 01 mm 。

　　5 . 4 千分尺:测量范围 0 mm~25 mm , 25 mm~50 mm , 精度 0. 01 mm 。

　　5 . 5 干燥器:内装干燥剂 。

　　6 试样

　　6 . 1 取样和加工

　　按 GB/T 1427 的规定进行 。

　　2

　　GB/T 431 1 1—2023

　　6 . 2 尺寸

　　通常采用圆形或矩形试样,推荐采用圆形试样,试样示意图见图 1 。

　　3

　　标引符号说明 :

　　A— 测量部分圆柱表面。

　　图 1

　　。

　　试样尺寸要求及推荐试样尺寸,见表 1

　　表 1

　　

　　圆形试样

　　试样尺寸

　　参数

　　符号

　　尺寸要求

　　推荐尺寸

　　试样长度a

　　L

　　≥120 mm

　　127 . 48 mm±0 . 36 mm

　　圆柱形测量部分直径

　　d

　　≥3 mm

　　6 . 35 mm±0 . 02 mm

　　圆柱形测量部分长度

　　LC

　　≥2 d

　　20 mm±0 . 05 mm

　　过渡弧 1

　　r

　　≥2 d

　　25 mm±0 . 05 mm

　　过渡弧 2

　　R

　　≤0 . 5 r

　　10 mm±0 . 05 mm

　　夹持端直径

　　D1

　　≥2 d

　　12 . 95 mm±0 . 10 mm

　　过渡端直径

　　D2

　　≥1 . 5 d

　　10 mm±0 . 10 mm

　　同轴度

　　O

　　≤0 . 005 d

　　0 . 01 mm

　　垂直度

　　丄

　　≤0 . 005 d

　　0 . 01 mm

　　粗糙度

　　Ra

　　≤ 1 . 2 μm(阴影区域)

　　≤ 2 . 0 μm(其他区域)

　　≤ 1 . 2 μm(阴影区域)

　　≤ 2 . 0 μm(其他区域)

　　a 在满足 7 . 3 . 2 装夹要求前提下,试样长度 L 可适当减少。

　　6 . 3 外观

　　加工后试样外观,应无可见的裂纹 、掉边 、缺角 、凸起 、凹坑 、孔洞等缺陷。

　　7 试验步骤

　　7 . 1 试样前处理

　　将试样放入 105 ℃ ~110 ℃干燥箱内烘 2 h取出,存储在干燥器内,冷却至室温备用。

　　7 . 2 试样尺寸测量

　　用千分尺对试样圆柱形测量部分的两端及中间共 3 处位置测量试样直径,每处直径为该处两个相互垂直方向直径的平均值,取 3 处直径的平均值计算应力。

　　GB/T 431 1 1—2023

　　7 . 3 试样测试

　　7 . 3 . 1 记录试样编号 、尺寸以及试验环境 。 试验温度范围为 25 ℃ ± 10 ℃ , 相对湿度范围为20% ~ 80% 。

　　7 . 3 . 2 将试样安装在设备夹具中 , 并确保试样与夹头保持牢固 , 但不能施加过大力以免损坏试样 。 每次试验之前以及任何时候加载发生变更时 , 都应检查试样对中情况 , 同轴度应不大于 5% 。 当 RS = —∞时 , 建议夹头夹持力略小 , 将试样端面顶紧夹头平面 。在其他应力比下 , 建议在试样夹持端表面均匀缠绕一层具有较大摩擦力的软性材料 , 如医用胶带 。

　　7 . 3 . 3 设置疲劳试验机的主要参数 。推荐加载方式为轴向加载(采用应力控制或载荷控制) , 波形选择正弦波(也可采用其它波形如三角波 、梯形波 、方波) , 频率设置为 2 Hz 。

　　7 . 3 . 4 疲劳试验前选取一定数量的试样进行室温抗拉强度试验 , 采用位移控制 , 推荐拉伸速度为1 . 0 mm/min , 计算得出抗拉强度的平均值 , 以作为疲劳试验应力水平的选择依据 。

　　7 . 3 . 5 设置不同的应力比 , 采用升降法开展不同寿命条件下疲劳试验 , 升降法示意图如图 2 所示 。 推荐设置应力比为 RS =0 、RS =—1 、RS =—2 、RS =—∞ , 设置循环次数为 N=102 、N=103 、N=104 、N = 105 。不同应力比对应不同循环次数形成 16 种不同试验条件 , 开展该 16 种条件下的疲劳试验 。

　　图 2 升降法示意图

　　7 . 3 . 6 应力台阶 d S设置应不大于疲劳极限的 5% , 当未达到所设循环次数的试样发生断裂时 , 应降低应力 。 当达到所设循环次数的试样未发生断裂时 , 则增加应力 , 直到形成 5 对数据点(见图 2 所示的椭圆) 。5 对数据点应满足在相邻应力间隔内低应力不断裂 , 高应力断裂 。

　　7 . 3 . 7 记录应力与时间的变化曲线数据 , 以及应力下的循环次数 。

　　8 试验结果

　　8 . 1 疲劳极限下极限估算

　　将应力水平按升序排序 , s0 ≤s1 ≤… ≤sl (l 为应力水平数) , 指定事件数fi , 指定应力台阶 d S 。将每种条件下应力数据进行概率统计处理 , 按照式(1)~式(3)对试样的平均疲劳强度和标准偏差进行估计 。

　　y = s0 + d S …………………………( 1 )

　　y = 1 . 62 d S (D + 0. 029) (当 D > 0. 3 时) …………………………( 2 )

　　y =0 . 53 d S (当 D ≤ 0. 3 时) …………………………( 3 )

　　式中:

　　^

　　μ y — 平均疲劳强度估计值 ;

　　4

　　GB/T 431 1 1—2023

　　^

　　σ y — 疲劳强度标准偏差估计值 。

　　在式(1)中 ±1/2 的确定 , 被分析事件为失效时取 —1/2 , 被分析事件为非失效时取 1/2 。被分析事件取失效或非失效数量多者 。

　　假定疲劳强度符合正态分布 , 在置信度为 1— α 、失效概率为 P 下的疲劳强度下极限 (P , 1 — α) 按式(4)进行估计:

　　(P , 1— α) = y — k (P , 1— α, v) y …………………………( 4 )

　　式中:

　　k (P , 1 — α, v) — 正态分布的单侧误差限系数 , 具体取值见附录 A 的表 A. 1 ;

　　v — 自 由度 。

　　将疲劳数据进行概率统计处理 , 得到应力均值 μ y 和标准偏差 σ y , 并通过查表得到对应于存活率为99%(即失效概率 P 为 1%) 、置信度 1 — α 为 95%的单侧误差限系数 k (0 . 01 , 0 . 95 , U) , 通过式(4)计算得到失效概率 P 为 1% 、置信度 1 — α 为 95%时对应的疲劳极限下极限值 。

　　8 . 2 古德曼图

　　对于 4 种条件寿命(N=102 、N=103 、N =104 、N =105 ) , 每种条件寿命各取 4 个应力 比(RS = 0 、 RS =—1 、RS =—2 、RS =—∞) , 形成 16 种条件 , 加上 RS = 1 的条件(相当于静态抗拉强度) , 将该 17 种条件下的疲劳极限进行汇总 , 结合失效概率 P 为 50%的疲劳极限及失效概率 P 为 1%(即存活率为99%) 、置信度 1 — α 为 95%的疲劳极限数据 , 绘制出疲劳极限对应的Smin 即最小应力与平均抗拉强度的比值 , 其中Sσ 为平均抗拉强度)与Smax 即最大应力与平均抗拉强度的比值)之间的关系曲线 , 即古德曼图 。等静压石墨古德曼图的示例如图 3 所示 。

　　图 3 古德曼图

　　8 . 3 应力-寿命曲线

　　利用线性的数学模型分析应力-寿命曲线关系如式(5) :

　　x =b — ay …………………………( 5 )

　　x=lGN , a 和 b 是常数 。对于变量 y =S或y=lGS, 具体根据线性关系选择 。

　　对总样本平均 S-N 曲线的估计按式(6)~式(8) :

　　^

　　^ ^

　　μ x =b — ay …………………………( 6 )

　　5

　　GB/T 431 1 1—2023

　　^ ^

　　b = x + a y ( 8 )

　　式中:

　　^

　　μ x — 总样本疲劳寿命估计值 ;

　　^

　　a — 总样本 S-N 曲线线性斜率估计值 ;

　　^

　　b — 总样本 S-N 曲线线性截距估计值 ;

　　x xi y i , n — 数据点数 。

　　总样本的平均 S-N 曲线的对数疲劳寿命的标准偏差x 根据式(9)估计:

　　x = 槡

　　式中:

　　^

　　σ x — 疲劳寿命标准偏差估计值 ;

　　n—2— 自 由度数 。

　　总样本的疲劳强度的标准偏差y 根据式(10)估计:

　　^

　　…………………………( 10 )

　　总样本在(1—α)置信度 , 自 由度为 U, 失效概率为 P 下的 S-N 曲线的下极限(P , 1—α, v) 根据式(11)

　　估计:

　　y — k x 槡 ………( 11 )

　　式中平方根是根据总样本对标准偏差估计值的一个修正 , 该修正依赖于试验数和试验范围 。 当试样数和范围都足够大时 , 修正值接近于 1 , 可以忽略 。

　　将 4 个应力比(RS =0 、RS =—1 、RS =—2 、RS =—∞)下的所有疲劳数据点进行汇合 , 分别绘制每个应力比下的 S-N 曲线 , 将每种应力比下的数据进行概率统计数据处理 , 得到了每个应力比下失效概率P 为 50%的中值疲劳 S-N 曲线 , 并得到了失效概率 P 为 1% 、置信度 1 — α 为 95%的 S-N 曲线 。等静压石墨的应力-寿命曲线(RS =—∞)示例 , 如图 4 所示 。

　　图 4 应力-寿命曲线图

　　6

　　GB/T 431 1 1—2023

　　9 试验报告

　　试验报告应至少包括下列内容 :

　　a) 委托单位 ;

　　b) 试样编号 、名称及规格 ;

　　c) 试验条件 ;

　　d) 试验结果 ;

　　e) 试验单位 ;

　　f) 审核人员 ;

　　G) 试验日期 ;

　　h) 本文件编号 。

　　7

　　GB/T 431 1 1—2023

　　附 录 A

　　(资料性)

　　不同概率下的正态分布单侧误差限系数 k (p, 1 - α , v ) 的取值

　　不同概率下的正态分布单侧误差限系数 k (P , 1 — α, v) 的取值见表 A. 1 。

　　表 A. 1 不同概率下的正态分布单侧误差限系数 k (p, 1 - α , v ) 的取值

　　自 由度

　　U

　　概率 P %

　　10

　　5

　　1

　　0.1

　　置信度(1—α)/%

　　90

　　95

　　90

　　95

　　90

　　95

　　90

　　95

　　2

　　4 . 258

　　6 . 158

　　5 . 310

　　7 . 655

　　7 . 340

　　10 . 550

　　9 . 651

　　13 . 860

　　3

　　3 . 187

　　4 . 163

　　3 . 957

　　5 . 145

　　5 . 437

　　7 . 042

　　7 . 128

　　9 . 215

　　4

　　2 . 742

　　3 . 407

　　3 . 400

　　4 . 202

　　4 . 666

　　5 . 741

　　6 . 112

　　7 . 501

　　5

　　2 . 494

　　3 . 006

　　3 . 091

　　3 . 707

　　4 . 242

　　5 . 062

　　5 . 556

　　6 . 612

　　6

　　2 . 333

　　2 . 755

　　2 . 894

　　3 . 399

　　3 . 972

　　4 . 641

　　5 . 301

　　6 . 061

　　7

　　2 . 219

　　2 . 582

　　2 . 755

　　3 . 188

　　3 . 783

　　4 . 353

　　4 . 955

　　5 . 686

　　8

　　2 . 133

　　2 . 454

　　2 . 649

　　3 . 031

　　3 . 641

　　4 . 143

　　4 . 772

　　5 . 414

　　9

　　2 . 065

　　2 . 355

　　2 . 568

　　2 . 911

　　3 . 532

　　3 . 981

　　4 . 629

　　5 . 203

　　10

　　2 . 012

　　2 . 275

　　2 . 503

　　2 . 815

　　3 . 444

　　3 . 852

　　4 . 515

　　5 . 036

　　11

　　1 . 966

　　2 . 210

　　2 . 448

　　2 . 736

　　3 . 370

　　3 . 747

　　4 . 420

　　4 . 900

　　12

　　1 . 928

　　2 . 155

　　2 . 403

　　2 . 670

　　3 . 310

　　3 . 659