GB∕T 43111-2023 炭素材料 疲勞試驗 軸向力控制方法（正式版）

炭素材料疲勞試驗軸向力控制方法2023-09-07發(fā)布I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會提出。本文件由全國鋼標準化技術委員會(SAC/TC183)歸口。本文件起草單位：中鋼新型材料股份有限公司、中國科學院金屬研究所、西安超碼科技有限公司、清華大學深圳國際研究生院、冶金工業(yè)信息標準研究院。1炭素材料疲勞試驗軸向力控制方法本文件規(guī)定了炭素材料疲勞試驗軸向力控制方法的原理、儀器設備、試樣、試驗步驟、試驗結果和試驗報告。本文件適用于室溫下石墨材料軸向等幅力控制的疲勞試驗，包括條件疲勞極限計算、等壽命圖以及應力-壽命曲線獲取。其他炭素材料可參照使用。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/T1427炭素材料取樣方法GB/T34104金屬材料試驗機加載同軸度的檢驗3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。最大應力maximumstress在應力循環(huán)中具有最大代數(shù)值的應力。R、應力隨時間周期性的等幅變化。2循環(huán)次數(shù)numberofcyclesN應力-時間，應變-時間等函數(shù)的最小循環(huán)周期性重復的次數(shù)。按規(guī)定的失效準則試驗時達到的循環(huán)數(shù)。疲勞極限fatiguelimit無限壽命下的疲勞強度。U總的試驗項數(shù)(n)減去估計的參數(shù)。注：通過概率統(tǒng)計方法計算疲勞極限時的自由度為n—1,對應力-壽命曲線高應力部分分析時的自由度為n-2。受交變應力的材料，在等壽命(等破壞循環(huán)次數(shù))的條件下，其平均應力與最大應力和最小應力的關注：古德曼圖也稱Goodman圖。應力-壽命曲線S-Ncurve以材料疲勞強度為縱坐標，以疲勞壽命的對數(shù)值為橫坐標，表示一定循環(huán)特征下材料的疲勞強度與疲勞壽命之間關系的曲線。注：應力-壽命曲線也稱S-N曲線。以恒定的應力比和頻率沿試樣軸向方向施加交變循環(huán)應力，按一定方式持續(xù)至試樣失效，對試驗結果進行分析處理，獲得古德曼圖等壽命曲線以及應力-壽命曲線。5儀器設備5.1疲勞試驗機：力傳感器精度優(yōu)于0.5%,試驗力應在傳感器量程的10%～90%之間，夾具應能固定且不損傷試樣，同軸度應符合GB/T34104檢驗要求。5.2干燥箱：具有自動調溫裝置，能保持溫度在105℃~110℃。5.3游標卡尺：測量范圍0mm～200mm,精度0.01mm。5.4千分尺：測量范圍0mm～25mm,25mm～50mm,精度0.01mm。6.1取樣和加工按GB/T1427的規(guī)定進行。36.2尺寸通常采用圓形或矩形試樣，推薦采用圓形試樣，試樣示意圖見圖1。標引符號說明：A——測量部分圓柱表面。試樣尺寸要求及推薦試樣尺寸，見表1。圓形試樣試樣尺寸參數(shù)符號尺寸要求推薦尺寸試樣長度“L圓柱形測量部分直徑d6.35mm±0.02mm圓柱形測量部分長度20mm±0.05mm過渡弧1r過渡弧2R夾持端直徑過渡端直徑D?同軸度◎垂直度⊥粗糙度“在滿足7.3.2裝夾要求前提下，試樣長度L可適當減少。7試驗步驟7.1試樣前處理將試樣放入105℃~110℃干燥箱內烘2h取出，存儲在干燥器內，冷卻至室溫備用。7.2試樣尺寸測量用千分尺對試樣圓柱形測量部分的兩端及中間共3處位置測量試樣直徑，每處直徑為該處兩個相互垂直方向直徑的平均值，取3處直徑的平均值計算應力。47.3試樣測試7.3.1記錄試樣編號、尺寸以及試驗環(huán)境。試驗溫度范圍為25℃±10℃,相對濕度范圍為20%~7.3.2將試樣安裝在設備夾具中，并確保試樣與夾頭保持牢固，但不能施加過大力以免損壞試樣。每次試驗之前以及任何時候加載發(fā)生變更時，都應檢查試樣對中情況，同軸度應不大于5%。當R、=一～時，建議夾頭夾持力略小，將試樣端面頂緊夾頭平面。在其他應力比下，建議在試樣夾持端表面均勻纏繞一層具有較大摩擦力的軟性材料，如醫(yī)用膠帶。7.3.3設置疲勞試驗機的主要參數(shù)。推薦加載方式為軸向加載(采用應力控制或載荷控制),波形選擇正弦波(也可采用其它波形如三角波、梯形波、方波),頻率設置為2Hz。7.3.4疲勞試驗前選取一定數(shù)量的試樣進行室溫抗拉強度試驗，采用位移控制，推薦拉伸速度為1.0mm/min,計算得出抗拉強度的平均值，以作為疲勞試驗應力水平的選擇依據(jù)。7.3.5設置不同的應力比，采用升降法開展不同壽命條件下疲勞試驗，升降法示意圖如圖2所示。推薦設置應力比為R,=0、R、=-1、R、=-2、R,=-~,設置循環(huán)次數(shù)為N=102、N=103、N=10?、N=10?。不同應力比對應不同循環(huán)次數(shù)形成16種不同試驗條件，開展該16種條件下的疲勞試驗。圖2升降法示意圖7.3.6應力臺階d、設置應不大于疲勞極限的5%,當未達到所設循環(huán)次數(shù)的試樣發(fā)生斷裂時，應降低應力。當達到所設循環(huán)次數(shù)的試樣未發(fā)生斷裂時，則增加應力，直到形成5對數(shù)據(jù)點(見圖2所示的橢圓)。5對數(shù)據(jù)點應滿足在相鄰應力間隔內低應力不斷裂，高應力斷裂。7.3.7記錄應力與時間的變化曲線數(shù)據(jù)，以及應力下的循環(huán)次數(shù)。8試驗結果8.1疲勞極限下極限估算將應力水平按升序排序，S?≤S?≤…≤S(l為應力水平數(shù)),指定事件數(shù)f;,指定應力臺階d、。將每種條件下應力數(shù)據(jù)進行概率統(tǒng)計處理，按照式(1)～式(3)對試樣的平均疲勞強度和標準偏差進行估計。 (1)σy=1.62d(D+0.029)(當D>0.3時) (2) (3)式中：μy——平均疲勞強度估計值；5GB/T43111—2023σy——疲勞強度標準偏差估計值。在式(1)中±1/2的確定，被分析事件為失效時取一1/2,被分析事件為非失效時取1/2。被分析事件取失效或非失效數(shù)量多者。假定疲勞強度符合正態(tài)分布，在置信度為1-α、失效概率為P下的疲勞強度下極限y(p.i-a)按式(4)進行估計：k(p,1-a,c)——正態(tài)分布的單側誤差限系數(shù)，具體取值見附錄A的表A.1;U——自由度。將疲勞數(shù)據(jù)進行概率統(tǒng)計處理，得到應力均值μy和標準偏差σy,并通過查表得到對應于存活率為99%(即失效概率P為1%)、置信度1-α為95%的單側誤差限系數(shù)k?.01.0.95,通過式(4)計算得到失效概率P為1%、置信度1-α為95%時對應的疲勞極限下極限值。8.2古德曼圖對于4種條件壽命(N=102、N=103、N=10?、N=10?),每種條件壽命各取4個應力比(R,=0、R,=-1、R,=-2、R,=一～),形成16種條件，加上R,=1的條件(相當于靜態(tài)抗拉強度),將該17種條件下的疲勞極限進行匯總，結合失效概率P為50%的疲勞極限及失效概率P為1%(即存活率為99%)、置信度1-α為95%的疲勞極限數(shù)據(jù)，繪制出疲勞極限對應的Smin/S。(即最小應力與平均抗拉強古德曼圖。等靜壓石墨古德曼圖的示例如圖3所示。圖3古德曼圖利用線性的數(shù)學模型分析應力-壽命曲線關系如式(5);x=lgN,a和b是常數(shù)。對于變量y=S或y=lgS,具體根據(jù)線性關系選擇。對總樣本平均S-N曲線的估計按式(6)～式(8):6b=x+ay式中：μ,——總樣本疲勞壽命估計值；a——總樣本S-N曲線線性斜率估計值；b總樣本S-N曲線線性截距估計值； (7) (8)n——數(shù)據(jù)點數(shù)?？倶颖镜钠骄鵖-N曲線的對數(shù)疲勞壽命的標準偏差σ,根據(jù)式(9)估計：式中：σ:——疲勞壽命標準偏差估計值；n—2——自由度數(shù)。總樣本的疲勞強度的標準偏差σ,根據(jù)式(10)估計： (10)總樣本在(1-a)置信度，自由度為v,失效概率為P下的S-N曲線的下極限x(p.1-根據(jù)式(11)估計： (11)式中平方根是根據(jù)總樣本對標準偏差估計值的一個修正，該修正依賴于試驗數(shù)和試驗范圍。當試樣數(shù)和范圍都足夠大時，修正值接近于1,可以忽略。將4個應力比(R、=0、R、=-1、R、=-2、R、=-～)下的所有疲勞數(shù)據(jù)點進行匯合，分別繪制每個應力比下的S-N曲線，將每種應力比下的數(shù)據(jù)進行概率統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理，得到了每個應力比下失效概率P為50%的中值疲勞S-N曲線，并得到了失效概率P為1%、置信度1-α為95%的S-N曲線。等靜壓石墨的應力-壽命曲線(R、=一%)示例，如圖4所示。循環(huán)次數(shù)N圖4應力-壽命曲線圖79試驗報告試驗報告應至少包括下列內容：d)試驗結果；e)試驗單位；f)審核人員；h)本文件編號。8GB/T43111—2023(資料性