TCSTM00832-2023 金属材料超高周疲劳超声疲劳试验方法.pdf

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51。注2:垂直度要求适用于对中的夹持部分。图4沙漏形试样狗骨形试验和沙漏形试样统称圆形试样,推荐圆形试样的几何尺寸如表2所示。表2圆形试样的尺寸参数尺寸试样端部直径6mm≤D1≤12mm试样小直径(不含平行段)或平行段直径2mm≤D0≤5mm过渡弧半径r≥D0平行段长度Lp≥。~6mm时,可使用板状试样。,需要特定的夹具或方法[5-6],以保证试样和位移放大器之间的连接。学兔兔注1:尺寸公差符号的定义见GB/T17851。注2:垂直度要求适用于对中的夹持部分。图5板状试样4:..2024T/CSTM00832—-N曲线试样要求完成S-N曲线试验所用的同一批试样应具有相同的形状、尺寸和表面状态。,等截面段越长,则要达到相同应力幅值所需要的位移振幅越大,试样越容易发热。反之,等截面段越短,则要达到相同应力幅值所需要的位移振幅越小,有利于抑制试样发热。在设计狗骨形试样和板状试样尺寸时,可根据这一特性权衡考虑。,试样的制备应遵循以下规则。注:如果试验目的是为了确定与这些不符合的规定因素(如表面处理、氧化等)的影响,允许有一些偏离。任何情况下,这些偏离应在试验报告中注明。,并在试验报告中附上取样图,并宜清晰地标明:——每件试样的取样位置;——样坯的特征方向(轧制,挤压以及其他方向);——每件试样的标识符。试验前,应标记试样。标识符可以标记在不影响试验结果的表面上(例如试样的端部)。,从而影响试验结果。这些残余应力可能是在机加工阶段的热梯度或材料的变形或微观结构的变化引起的。宜选择合适的机加工流程(特别是在最后的抛光阶段前)以减小残余应力。对于较硬材料,首选磨削,而不是车削或者铣削加工。——磨削:,;——抛光:。建议最后的抛光沿着试样的轴向;,可以是组织中相的改变,更多的情况是样品表面发生再结晶。由于试验的材料不再是初始状态,上述微观结构改变将直接导致试验结果无效。因此,宜采取一切预防措施以避免这种风险。,例如***和氢对钢和钛合金的影响。因此,在使用的原料(切削液、清洁液如醇、酸性化合物等)中宜避免包含这些元素。建议在存储试样前进行清洗和脱脂处理。。这类影响一般都和以下一个或者多个因素相关:学兔兔——试样的表面粗糙度;——残余应力的存在;——材料微观结构改变;——杂质的引入。,应按下列要求进行:——,;5:..2024T/CSTM00832—2023——试样精加工后,宜采用酒精或***溶液进行清洗、妥善保存,防止试样表面损伤或者腐蚀;——圆形试样的最后工序宜消除在车削工序中产生的圆周方向上划痕。特别建议在磨削之后进行纵向的抛光,抛光后再进行低倍(大约20倍)检查,试样工作段内不应有圆周方向的划痕。,宜在热处理后进行最终的抛光处理。否则热处理宜在真空或惰性气体中进行,以防试样氧化。热处理不应改变所研究材料的微观结构特性。热处理条件和加工程序应在试验报告中记录。,保证超声疲劳试样加工尺寸与设计尺寸一致。(接触划痕,氧化等)。推荐采用独立的包装盒或带封头的管保存试样。在某些情况下,应在真空容器或放有干燥剂的干燥器皿中保存试样。,因此,试验机的位移系统应当定期校核,以保证试样端面振动位移的准确性。推荐采用激光位移传感器来对试样的端面振动位移进行实时连续采集和监测,如图6所示,确认测得的位移幅值和理论值一致。,推荐采用如图7所示的等截面圆柱试样。注:满足等截面圆柱试样谐振频率的试样长度与其直径无关,仅与材料的动态弹性模量和密度相关,且等截面圆柱试样形状简单,加工尺寸精度易于控制。学兔兔注1:尺寸公差符号的定义见GB/T17851。注2:垂直度要求适用于对中的夹持部分。:..2024T/CSTM00832—、材料动态弹性模量、密度、系统谐振频率、端部振动位移等参数的实际值可能与设计值或者理论值存在偏差,例如试样的实际尺寸因为加工的原因,可能与设计尺寸存在偏差。不同参数的偏差累积在一起,即便试样振动位移准确,也会导致超声疲劳试样的实际应力幅值与预设的应力幅值产生偏差。这种情况下,对超声疲劳试样振动位移进行校核后,需要直接对超声疲劳试样的应力或应变进行测量和校核,来保证超声疲劳试验的准确性。,可以在试样工作段粘贴应变片,通过高速动态应变仪来测量其动态应变,也可以采用高速DIC(数字图像相关法,DigitalImageCorrelation)系统来测量其动态应变。沙漏形试样尺寸较小,且其工作段表面不平直,应力分布梯度较大,难以通过粘贴应变片的方法准确地得到其动态应变,因此,宜选择DIC方法,利用高速相机拍照和图片对比分析得到其超声疲劳动态应变幅值[7]。,属于弹性变形区间。一般地,测得试样的应变幅值后,可以由胡克定律和材料的动态弹性模量计算得到对应的应力幅值。然后,将计算得到的应力幅值与预设应力幅值进行对比,判断二者是否一致。如果不一致,应按照两者的线性比值对试样的预设应力幅值进行校核。,试样的中心线应与位移放大器轴线一致,试样的螺纹宜与位移放大器的内螺纹尺寸精确匹配,保证试样装夹牢固,在高速振动过程中不会脱落。,对于某些特别脆的材料,试样宜使用内螺纹。特别脆的材料有可能在外螺纹起裂,内螺纹不适用于板状试样。,例如弯折、锤击等动作,也不应划伤试样表面。,试验装置的同轴度应符合GB/T3075的规定。:a)试样材料牌号、测试环境温度、动态弹性模量、密度等基本信息;b)选择试样形状,并设计合适的试样尺寸;c)试验时每个试样的预设应力幅值。,可以在控制软件中直接输入所需施加的应力幅值。试验系统根据输入的应力幅值、材料动态弹性模量、密度和试样几何尺寸计算得到所需施加的位移幅值。,例如仅有沙漏形试样,可以将其他形状试样的应力幅值转换成沙漏形试样的应力幅值,利用控制软件中已有的试样类型来实现狗骨形、板状等其他形状试样的应力幅控制。不同形状试样的应力幅转换方法见附录B。7:..2024T/CSTM00832—。,测温装置在循环内任何给定时刻显示的温度不应超过当前室温10℃。如果试验过程中发生超出温度范围情况,例如在室温下试样表面出现发黑或发蓝,推荐采用下列3种方法控制试样的温度升高,温升情况和控制方法应在试验报告中注明。如果下列3种方法均无法控制试样的发热,则需停止试验。a)在相同应力幅条件下,试样的位移幅值越小,发热量相应的也越小。可以通过改变试样的尺寸或形状来减小试样的位移振幅,从而减小试样的温升;b)采用压缩冷却空气喷吹试样的中间发热部位,降低试样的温度到合理范围;c)设计间歇加载,如图8所示,让试样振动一段时间后间歇一段时间来散热。对同一组试样,需采用相同的间歇条件。间歇条件确定以后,对正在进行试验的试样,试验由开始到终止,不能改变间歇条件。间歇时长不参与循环周次计数。间歇加载有可能导致疲劳寿命变长。,试样的工作频率会降低,当频率下降幅值超过500Hz时,试验会自动停止,如果试样表面存在目视可见的大面积灼烧变色,则试验结果无效,应调整冷却方式重新试验。(例如10或10)时,无论试样是否破坏,应终止试验。,应记录该试样的相关试验信息,如试样标识符、试验频率、施加的最大应力、应力比、应力幅值、冷却方式(例如间歇加载条件)和试样端部振动位移幅值等内容。。为了研究材料的超高周疲劳内部裂纹萌生和扩展机理,可以对试样的损伤演化过程进行监测,见附录C。9试验报告试验报告应至少包括以下内容:a)本文件编号;学兔兔b)材料的牌号、规格、热处理工艺及动态弹性模量、密度和抗拉屈服强度等;c)试样取样部位、几何形状、尺寸和表面状态;d)试验机型号;e)冷却方式(例如,风冷、间歇条件等);f)每个试样的标识符、施加的应力幅值、应力比、试样端部位移幅值、试验频率、断裂情况和疲劳寿命;试验结果可以图或表格的形式表示,如图9所示。8:..2024T/CSTM00832—2023g)试验温度,如对试样加热(例如大于35℃);h)试验结束的判据,试样失效、试样持续循环周次(例如,108周次、109周次或1010周次)或其他判据;i)试验过程中任何对本标准的偏差或其他情况。1/MPaaσ标引符号说明:Nf/周次1——R=-1,室温。—试样在指定周次下未断。图9超高周疲劳S-N曲线示意图学兔兔9:..2024T/CSTM00832—2023附录A(资料性)。根据连续系统振动理论,结合试样横截面方程、边界条件和连续性条件,可以得到等截面圆柱试样、沙漏形试样、狗骨形试样和板状试样的尺寸设计公式[4,8]以及试样工作段应力幅值和端部位移幅值之间的关系式。,满足超声谐振频率的长度Lz解析解见公式():1E....................()Lz?2f?(x=0)处,。中间截面应力幅与端部位移幅之间的关系见公式():σa=EdkU0....................()式中:k??。c标引符号说明:a应力分布;b位移分布。,满足超声谐振频率的沙漏形试样端部长度ld见公式():1?1???...................()?lldb??klarctan??????k????????tanh()?b??tanh()?学兔兔式中:????22k,1D1,k??。?=osh()():10:..2024T/CSTM00832—2023?Ux(),cos()cosh()kll.........?....()?ad??E?xx??0(,)=llbd??EUd0bdsinh()db(,)?lllb标引符号说明:a应力分布;b位移分布。,满足超声谐振频率的狗骨形试样端部长度ld的解析解见公式():???d1??1tan()tanh()?....................kllp()?db?ll??arctan??ktanh()?dbkk??k??tan()tanh()klp??dbl???d式中:1D1,??d=22?k,k=?。?=osh()():????EklllU(,,)....................()addpbd0式中:。cos()cosh()kll??(,,)lllpbd?db?dpsin()cosh()cos()sinh()kllkkll?db?p?db学兔兔11:..2024T/CSTM00832—2023标引符号说明:a应力分布;b位移分布。,可使用板状试样,。:a应力分布;b位移分布。,满足超声谐振频率的板状试样端部长度ld的解析解见公式():12:..2024T/CSTM00832—20231????????cos()cosh()sinh()sin()sinh()...............klllll()pppbppb??????????????kkppb?ld?arctan????kk???????????pppsin()cos()klkkl?sinh()sin()cosh()??pbpppblll??式中:?p?1ln????????b1,??pp???22k,k?2lbb0??c注:式中的板状试样?表达式和沙漏形、狗骨形试样不同,标识为αp以示区别。():....................()???adpppbd0?ElllkU(,,)式中:cos()exp()kll??ppbd(,,)lll?dpb?????????ppsin()cos()sinh()sin()cosh()klkkllkll??p??pbpp?()