《金屬材料細節(jié)疲勞粗糙度系數測定方法》

1HBXXXX—XXXX金屬材料細節(jié)疲勞粗糙度系數測定方法本文件規(guī)定了測定金屬材料細節(jié)疲勞粗糙度系數的試樣、試驗裝置、試驗程序、試驗數據處理和試驗報告。本文件適用于測定金屬材料室溫下無緊固件應力集中細節(jié)的疲勞粗糙度系數。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T10623金屬材料力學性能試驗術語JJG556軸向加力疲勞試驗機檢定規(guī)程3術語和定義、符號3.1術語和定義GB/T10623界定的以及下列術語和定義適用于本文件。3.1.1細節(jié)疲勞額定強度detailfatiguerating（DFR）結構細節(jié)本身固有的疲勞性能特征值，是一種對構件質量和耐重復載荷能力的度量，與使用載荷無關。該值是當應力比R=0.06時，具有95%可靠度和95%置信度的結構細節(jié)疲勞壽命能夠達到105次的最大應3.1.2結構細節(jié)疲勞粗糙度系數surfaceroughnesscoefficientofdetailfatiguerating給定工藝和表面狀況下無緊固件應力集中細節(jié)（如缺口和圓角）的DFR試驗值與基準DFR值的比值。鋁合金、鈦合金和鋼的基準DFR值為厚度26mm以下2024板材基準粗糙度試樣（機加缺口，粗糙度Ra=3.2，不噴丸）的DFR試驗值乘以相應的材料常數K。獲取粗糙度系數的試樣構型（缺口應力集中系數和細節(jié)數量）應與2024板材基準粗糙度試樣保持一致。3.2符號本文件采用的符號、名稱及單位見表1。2HBXXXX—XXXX表1符號、名稱及單位F-Ktn-N95/95次R-n件S-Sc-SR-ST-α-β次K-PmaxNbσm0等壽命圖中N95/95=10等壽命線與σm軸交點的應力值TW4試樣4.1試樣形式獲取粗糙度系數的試樣構型（缺口應力集中系數和細節(jié)數量）應與2024板材基準粗糙度試樣保持一致。推薦如圖1所示包含2個缺口應力集中細節(jié)的試樣，其缺口根部的凈截面應力集中系數Ktn=2.6。試樣工作段表面的粗糙度按試驗需求選取，推薦試樣的夾持段長度為30mm～50mm，以保證試樣受力均勻。對缺口較為敏感的材料，也可適當增加夾持段寬度，以避免試樣在夾持段斷裂。試樣夾持段與工作段切向過渡圓弧的半徑應至少大于1.5倍的試樣寬度，以避免在過渡段產生應力集中。也可采用其他應力集中系數的試樣，但應保持與基準粗糙度試樣的構型一致。試樣厚度可根據試驗需求選擇，對于使用原始板材厚度的試樣，試樣表面的平行度和平面度可不做要求。3HBXXXX—XXXX單位：mm圖1推薦粗糙度系數試樣4.2試樣制備4.2.1試樣切取應符合相關標準規(guī)定或根據試驗目的進行切取。取樣時應詳細記錄取樣位置、取樣方向，并對試樣進行編號等。試樣的取樣方向標記方法見圖2。LL-TTL-SSS-TL圖2試樣取樣方向示意圖4.2.2試樣缺口的制備工藝應能代表不同加工方式的粗糙度水平，一般常用的粗糙度Ra值為0.8μm、1.6μm、3.2μm，還可采用強化、化銑等工藝對缺口進行加工。試樣的加工方式（如：機加Ra=1.6μm、化銑、噴丸等）應在報告中注明。附錄A給出了鋁合金試樣采用機加缺口、粗糙度Ra=0.8μm的加工程序示例。4.2.3試樣加工過程中應避免產生殘余應力，采用逐步減小加工余量的加工工序，尤其是在試樣的最終加工階段。試樣的兩個表面要求對稱加工直至達到最終厚度，最后一道工序的加工量每面不大于0.125mm。缺口處最后一道工序的加工量不大于0.1mm。如采用化銑、噴丸等工藝一般安排在最后一道加工工序。4.2.4試樣表面加工應保證平面度和上、下表面的平行度。對于鈦合金和鋼等硬度較高的材料，當粗糙度要求較高時推薦使用研磨加工方式。加工完成后應無垂直于加載方向的劃痕。加工過程不允許4HBXXXX—XXXX產生冷作硬化或過熱。對薄板材料試樣表面可以不加工，試樣表面的平面度和平行度不做要求，但試樣不應有明顯翹曲，試驗報告中應說明試樣表面狀態(tài)。4.2.5一般應在熱處理后進行試樣最終的成形加工。熱處理制度應在試驗報告中注明。4.2.6目視觀察試樣，試樣不應有孔邊劃痕、鑿痕、凹坑等。5試驗裝置推薦采用液壓伺服疲勞試驗機開展試驗。試驗機應按JJG556的要求定期檢定，靜態(tài)載荷誤差控制在±1%以內，動態(tài)載荷誤差控制在±2％以內，同軸度控制在±5％以內。6試驗程序6.1試樣檢查與尺寸測量6.1.1去除試樣表面油污，檢查試樣測試部位是否有意外損傷。6.1.2在缺口根部垂直于加載軸線的最小截面處測量試樣的厚度T與凈截面寬度W。厚度T的測量精度不低于0.01mm，凈截面寬度W的測量精度不低于0.02mm。6.2試樣安裝試樣安裝應保證加載力均勻分布在試樣橫截面上。6.3試驗波形與頻率試驗波形為R=0.06的正弦波，頻率不超過50Hz。6.4試驗載荷的選取6.4.1選擇一個應力水平進行一組試樣的疲勞試驗，其疲勞壽命宜在（1.5×105～4×105）次區(qū)間，由于不同金屬的疲勞壽命分散性不同，試驗時應根據材料特性確定試驗應力。對于疲勞壽命分散大的金屬材料，疲勞壽命范圍可適當放寬。一組有效試樣一般不少于5件。6.4.2按試樣的凈截面寬度W和公式（1）計算試驗載荷：Pmax=σmax×W×T 6.5失效判據6.5.1連續(xù)試驗直至試樣完全斷裂或達到指定的循環(huán)周次，指定的循環(huán)周次可根據試驗需要設定，推薦為5×105次。試樣斷裂未發(fā)生在含缺口截面或斷口有明顯冶金缺陷或其他缺陷則試驗數據無效。6.5.2其他形式如缺口處裂紋達到一定尺寸也可判為失效，但在報告中應注明失效判據。7試驗數據處理7.1特征壽命β按公式（2）、（3）對試驗數據進行處理，計算特征壽命。所有n個試樣全部破壞時，β按公式（2）計算：5HBXXXX—XXXXβ=N1/a…………（2）所有n個試樣中k個破壞時（其余試樣達到指定壽命N停止試驗β按公式（3）計算：β=N1/a…………（3）式中：α——威布爾分布的形狀參數，取值見表2。表2形狀參數α取值表α結構鋼(σb≤1660MPa，或應力集中系數小于2.5）結構鋼(σb＞1660MPa，且應力集中系數大于2.5）7.2可靠度R=95%、置信度C=95%的壽命N95/95按公式（4）計算可靠度R=95%、置信度C=95%的壽命N95/95：N95/95=ST根根SR…………（4）式中：ST——試樣系數，ST=1.3；SR——可靠度系數，取值見表3；Sc——置信度系數，取值見表4。表3可靠性系數SR取值表SR結構鋼(σb≤1660MPa，或應力集中系數小于2.5）結構鋼(σb＞1660MPa，且應力集中系數大于2.5）表4置信度系數Sc取值表α1234567897.3F系數的計算6HBXXXX—XXXX將N95/95代入公式（5）計算DFR值：0.94σ式中：σm0、S取值見表5。表5σm0和S取值表σm0S結構鋼(σb≤1380MPa）結構鋼(σb＞1380MPa）粗糙度系數F按公式（6）計算：F=DFR/基準DFR （6）鋁合金、鈦合金和鋼的基準DFR值為厚度26mm以下2024板材基準粗糙度試樣（機加缺口，粗糙度Ra=3.2，不噴丸）的DFR試驗值乘以相應的材料常數K。K的取值見表6。表6材料常數K取值表K結構鋼(σb≤1660MPa）結構鋼(σb＞1660MPa）8試驗報告試驗報告一般包括以下內容：a)材料牌號、生產廠家、爐批號、品種、規(guī)格、熱處理制度或狀態(tài)等；b)試樣編號、取樣方向、取樣位置、尺寸和表面狀況等；c)試驗機型號、試驗頻率、載荷大小、應力比、加載方式；d)試驗過程中不符合本標準的任何情況；e)試樣異常斷裂時注明斷裂位置；f)數據處理時剔除的數據及原因；g)試驗數據及處理結果；h)試驗日期、溫度、濕度、人員。HBXXXX—XXXX試樣加工程序示例A.1概述本附錄是某一鋁合金試樣采用機加缺口，粗糙度Ra=0.8μm的加工程序示例。A.2加工程序A.2.1試樣表面對稱銑削，每面最后一道切削留有0.125mm加工余量。A.2.2試樣表面分2次或3次銑削至最終尺寸，銑刀