耐高溫金屬材料熱疲勞性能評價方法（征求意見稿）

XXXXX2023-xx-xx發(fā)布202XXXXX2023-xx-xx發(fā)布202x-xx-xx實施團體標(biāo)準XXXXXXX—xxxx__________________________________________________________耐高溫金屬材料熱疲勞性能評價方法Evaluationmethodforthermalfatigueperformanceofhightemperatureresistantmetalmaterials（征求意見稿）山東省特種設(shè)備協(xié)會發(fā)布山東省特種設(shè)備協(xié)會發(fā)布目次TOC\o"1-2"\h\z\u1范圍 22規(guī)范性引用文件 23術(shù)語和定義 34基本規(guī)定 45熱疲勞試樣 45.1一般規(guī)定 45.2試樣尺寸 45.3試樣表面質(zhì)量及位置公差 55.4初始微觀組織調(diào)控 56熱疲勞測試 56.1溫度控制 56.2裝置調(diào)節(jié) 56.3熱疲勞實驗 67熱疲勞性能評價 67.1微觀組織演化 67.2缺陷演化 67.3微裂紋擴展 77.4斷裂機制 77.5疲勞壽命 7耐高溫金屬材料熱疲勞性能評價方法1范圍本標(biāo)準適用于高溫合金、耐熱鋼、難熔金屬和金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料等耐高溫金屬材料試樣軸向應(yīng)變和位移控制的熱疲勞試驗，規(guī)定了具有一定標(biāo)距長度的圓形、矩形橫截面試樣在高溫條件下熱疲勞性能評價應(yīng)遵守的基本守則、失效判斷、評價要求。產(chǎn)品構(gòu)件和其他特殊形狀試樣的熱疲勞性能評價方法可參照本標(biāo)準執(zhí)行。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)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(yīng)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/T6398-2017金屬材料疲勞試驗疲勞裂紋擴展方法GB/T33812-2017金屬材料疲勞試驗應(yīng)變控制熱機械疲勞試驗方法GB/T41154-2021金屬材料多軸疲勞試驗軸向-扭轉(zhuǎn)應(yīng)變控制熱機械疲勞試驗方法GB/T37306.1-2019金屬材料疲勞試驗變幅疲勞試驗第1部分：總則、試驗方法和報告要求GB/T37306.2-2019金屬材料疲勞試驗變幅疲勞試驗第2部分：循環(huán)計數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)縮減方法GB/T38822-2020金屬材料蠕變-疲勞試驗方法GB/T12443-2017金屬材料扭矩控制疲勞試驗方法GB/T4337-2015金屬材料疲勞試驗旋轉(zhuǎn)彎曲方法GB/Z40387-2021金屬材料多軸疲勞試驗設(shè)計準則GB/T3075-2021金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法GB/T26077-2021金屬材料疲勞試驗軸向應(yīng)變控制方法GB/T15824-2008熱作模具鋼熱疲勞試驗方法GB/T38250-2019金屬材料疲勞試驗機同軸度的檢驗GB/T26076-2010金屬薄板（帶）軸向力控制疲勞試驗方法GB/T40410-2021金屬材料多軸疲勞試驗軸向-扭轉(zhuǎn)應(yīng)變控制方法GB/T37616-2019鋁合金擠壓型材軸向力控制疲勞試驗方法GB/T24176-2009金屬材料疲勞試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方案與分析方法 GB/T25917.1-2019單軸疲勞試驗系統(tǒng)第1部分：動態(tài)力校準GB/T25917.2-2019單軸疲勞試驗系統(tǒng)第2部分：動態(tài)校準裝置用儀器GB/T15248-2008金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法T/CFA010604-1-2012鑄造磨球沖擊疲勞壽命試驗方法ISO12108:2018Metallicmaterials—Fatiguetesting—FatiguecrackgrowthmethodISO12111:2011Metallicmaterials—Fatiguetesting—Strain-controlledthermomechanicalfatiguetestingmethodISO12110-1:2013Metallicmaterials—Fatiguetesting—Variableamplitudefatiguetesting—Part1:Generalprinciples,testmethodandreportingrequirementsISO12110-2:2013Metallicmaterials—Fatiguetesting—Variableamplitudefatiguetesting—Part2:CyclecountingandrelateddatareductionmethodsISO1143:2021Metallicmaterials—RotatingbarbendingfatiguetestingISO1352:2011Metallicmaterials—Torque-controlledfatiguetestingISO22407:2021Metallicmaterials—Fatiguetesting—Axialplanebendingmethod3術(shù)語和定義3.1高溫合金superalloy以鐵、鎳、鈷為基，能在600°C以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。3.2耐熱鋼heat-resistantsteel在高溫下具有較高的強度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性的合金鋼。3.3難熔金屬refractorymetal常指鎢、鉬、鈮、鉭、釩、鋯，也可以包括錸和鉿。這類金屬的特點為熔點高、硬度大、抗蝕性強，多數(shù)能同碳、氮、硅、硼等生成高熔點、高硬度并肯有良好化學(xué)穩(wěn)定性的化合物。3.4金屬間化合物intermetalliccompound金屬與金屬或金屬與類金屬(如H、B、N、S、P、C、Si等)形成的化合物。3.5軸向應(yīng)變axialstrain與外力同方向的伸長(或壓縮)方向上的應(yīng)變稱為軸向應(yīng)變。3.6疲勞fatigue材料、零件和構(gòu)件在循環(huán)加載下，在某點或某些點產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現(xiàn)象。3.7粗糙度roughness加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度。3.8平行度Parallelism兩平面或者兩直線平行的程度，指一平面（邊）相對于另一平面（邊）平行的誤差最大允許值。3.9垂直度Verticality限制實際要素對基準在垂直方向上變動量的一項指標(biāo)。3.10同軸度Concentricity表示零件上被測軸線相對于基準軸線，保持在同一真線上的狀況。也就是通常所說的共軸程度。3.11缺陷defect指晶體里面的孔洞、微裂紋等缺陷。3.12疲勞裂紋擴展fatiguecrackgrowth承受結(jié)構(gòu)或元件，由于交變載荷的作用，或者由于載荷和環(huán)境侵蝕的聯(lián)合作用，會產(chǎn)生微小的裂紋，裂紋將隨著交變載荷周次的增加或環(huán)境侵蝕時間的延長而逐漸擴展。隨著裂紋尺寸增大，結(jié)構(gòu)或元件的剩余強度逐步減小，最后導(dǎo)致斷裂。4基本規(guī)定4.1疲勞測試時遵循GB/T26077-2021的要求，保證疲勞測試數(shù)據(jù)的真實性和有效性。4.2疲勞測試人員經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，應(yīng)熟練掌握疲勞測試的操作規(guī)范，熟悉疲勞測試設(shè)備的使用要求和操作方法。5熱疲勞試樣5.1一般規(guī)定為保證耐高溫金屬材料熱疲勞測試的便捷性，本標(biāo)準推薦使用圓柱形試樣或矩形試樣。5.2試樣尺寸為保證耐高溫金屬材料疲勞性能數(shù)據(jù)的有效性，規(guī)定除構(gòu)件外，耐高溫金屬材料標(biāo)準疲勞試樣形狀尺寸應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)定5.2.1圓棒狀試樣標(biāo)距段直徑d為5~10mm，標(biāo)距段長度L=3d±d，過渡圓弧半徑r≥2d。5.2.2矩形試樣標(biāo)距段厚度t為2.5~5mm，標(biāo)距段長度L=3t±t，寬度w=2t，過渡圓弧r≥2w。5.3試樣表面質(zhì)量及位置公差5.3.1熱疲勞試驗數(shù)據(jù)具有分散性，為減少試驗數(shù)據(jù)精度的影響因素，需要保證熱疲勞試樣表面的粗糙度。熱疲勞試樣標(biāo)距區(qū)域需要使用水砂紙從240#逐級打磨至5000#，粗糙度優(yōu)于0.08。5.3.2試樣平行度優(yōu)于0.03。5.3.3試樣垂直度優(yōu)于0.03。5.3.4試樣同軸度優(yōu)于0.03。5.4初始微觀組織調(diào)控5.4.1為了調(diào)控耐高溫金屬材料的初始微觀組織，采用真空熱處理工藝。5.4.2根據(jù)具體材料實施相應(yīng)的熱處理溫度和保溫時間。5.4.3采用金相顯微鏡表征金屬材料的金相組織，包括其晶粒尺寸及分布。5.4.4采用掃描電子顯微鏡表征金屬材料微觀組織中微米尺度的第二相等組織特征，包括其粒徑、體積含量、形貌及分布。5.4.5采用電子背散射衍射表征金屬材料微觀組織織構(gòu)、取向等特征，包括Kernelaveragemisorientation(KAM)，施密特因子(Schimidfactor)及泰勒因子(Taylorfactor)等。5.4.6采用透射電子顯微鏡表征金屬材料微觀組織中納米尺度的第二相等組織特征，包括其粒徑、體積含量、形貌及分布。6熱疲勞測試6.1溫度控制6.1.1三段控溫高溫爐對試件溫度采用串級控制，優(yōu)化溫度梯度。6.1.2為保證疲勞試樣在恒溫條件下開展疲勞試驗，規(guī)定溫度測量位置處于疲勞試樣標(biāo)距段附近，溫度波動范圍小于±2°C。6.2裝置調(diào)節(jié)6.2.1保證熱疲勞實驗過程中的同軸度，疲勞機加載系統(tǒng)、試樣臺、試樣夾具等部件必須精密配合，盡量消除連接件之間的間隙，能夠穩(wěn)定有效夾持疲勞試樣，保證疲勞試樣安裝后同軸度優(yōu)于0.08mm。6.2.2為實時控制、監(jiān)測熱疲勞試樣表面的應(yīng)變演化行為，熱疲勞試驗裝置必須配置數(shù)字圖像相關(guān)裝置，主要包括高速攝像機、冷光源、支架、數(shù)據(jù)檢測及處理軟件等。6.2.3為保證試驗裝置的穩(wěn)定性與可靠性，應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定定期對疲勞機力傳感器、位移傳感器、高精度線性可變差動變壓位移傳感器、壓力傳感器等，進行準確度校正。6.3熱疲勞實驗6.3.1熱疲勞實驗遵循GB/T26077-2021執(zhí)行。6.3.2熱疲勞試驗機實時記錄耐高溫金屬材料熱疲勞試驗過程中的應(yīng)力應(yīng)變，評價初始微觀組織及測試條件等對熱疲勞過程應(yīng)力應(yīng)變演化的影響。6.3.3通過熱疲勞試驗機記錄的每組試樣測試的疲勞壽命，構(gòu)建疲勞壽命預(yù)測模型，評價熱疲勞性能的優(yōu)劣。6.3.4數(shù)字圖像相關(guān)裝置規(guī)定拍攝速率不少于10張/秒，用于精確評價初始微觀組織及測試條件等對熱疲勞過程疲勞試樣表面的應(yīng)變演化情況。6.3.5考慮到耐高溫金屬材料局域微觀組織不均勻性的存在，每一組試驗備3個平行試樣，以保證試驗結(jié)果的有效性和可靠性。7熱疲勞性能評價7.1微觀組織演化7.1.1為了評價耐高溫金屬材料熱疲勞過程中微觀組織的演化情況，開展熱疲勞中斷實驗，采用掃描電子顯微鏡、電子背散射衍射、透射電子顯微鏡等從二維靜態(tài)角度表征評價初始微觀組織及測試條件等對金屬材料熱疲勞過程位錯、滑移帶等微觀組織演化行為的影響。7.1.2依據(jù)合金的初始微觀組織特征，通過分子動力學(xué)模擬軟件LAMMPS建立合適的原子結(jié)構(gòu)模型，選擇適合模擬體系的勢函數(shù)、系綜(正則系綜，微正則系綜，巨正則系綜，等溫等壓系綜)及邊界條件(周期性邊界，非周期性邊界)，并對原子結(jié)構(gòu)模型進行能量最小化及弛豫處理。在模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，沿一定方向施加疲勞載荷，并控制應(yīng)變速率及應(yīng)變幅進行疲勞過程中的微觀組織演化模擬，如位錯密度、層錯數(shù)量、孿晶數(shù)量，進行統(tǒng)計量化及可視化分析。7.2缺陷演化7.2.1為了評價耐高溫金屬材料熱疲勞過程中微觀孔洞缺陷演化情況，采用同步輻射X射線成像技術(shù)從三維動態(tài)角度表征評價初始微觀組織及測試條件等對金屬材料熱疲勞過程微觀孔洞演化行為的影響。7.2.2通過分子動力學(xué)模擬軟件LAMMPS開展耐高溫金屬材料熱疲勞過程中微觀孔洞缺陷演化情況，動態(tài)顯示初始微觀組織及變形條件對金屬材料熱疲勞過程微觀孔洞演化行為的影響。7.3微裂紋擴展7.3.1為了評價熱疲勞過程微裂紋的擴展行為，通過辨別斷裂模式和相關(guān)的變形機制，并檢查熱疲勞期間的裂紋路徑剖面和裂紋尖端前的變形微觀結(jié)構(gòu)，分析熱疲勞試樣中裂紋路徑剖面和微觀結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性，闡明熱疲勞裂紋的微觀結(jié)構(gòu)起源。7.3.2通過有限元分析軟件，建立三維模型，仿真計算不同載荷條件下模型的應(yīng)力、應(yīng)變與變形分布情況，預(yù)測疲勞過程中的最大應(yīng)力與最大應(yīng)變位置，采用斷裂力學(xué)模型模擬裂紋在疲勞載荷下的萌生及擴展，并對裂紋擴展與疲勞壽命之間的關(guān)系進行評價和預(yù)測。7.4斷裂機制7.4.1為了評價熱疲勞斷裂機制，通過掃描電子顯微鏡表征斷裂面上的疲勞裂紋萌生區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)的形貌特征，揭示微觀組織及變形條件對熱疲勞斷裂機制的影響。7.4.2通過有限元分析軟件，建立熱疲勞三維仿真模型，動態(tài)顯示不同載荷條件下熱疲勞試樣的應(yīng)力、應(yīng)變與變形分布情況，預(yù)測疲勞過程中的最大應(yīng)力與最大應(yīng)變位置，揭示材料的疲勞變形機制。7.5疲勞壽命7.5.1基于耐高溫金屬材料熱疲勞壽命實驗數(shù)據(jù)，分析初始微觀組織和變形條件對熱疲勞壽命的影響，構(gòu)建考慮初始微觀組織影響的熱疲勞壽命預(yù)測模型，評價耐高溫金屬材料的疲勞壽命。7.5.2基于準確的有限元模型，在幾何形狀以及邊界條件準確的