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| 标准编号 | GB/T 4337-2015 (GB/T4337-2015) | | 中文名称 | 金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方法 | | 英文名称 | Metallic materials -- Fatigue testing -- Rotating bar bending method | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | H22 | | 国际标准分类 | 77.040.10 | | 字数估计 | 24,244 | | 发布日期 | 2015-09-11 | | 实施日期 | 2016-06-01 | | 旧标准 (被替代) | GB/T 4337-2008 | | 引用标准 | GB/T 3075; GB/T 10623; GB/T 13634; GB/T 24176; GB/T 26077 | | 采用标准 | ISO 1143-2010, MOD | | 起草单位 | 钢铁研究总院 | | 归口单位 | 全国钢标准化技术委员会 | | 标准依据 | 国家标准公告2015年第25号 | | 提出机构 | 中国钢铁工业协会 | | 发布机构 | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会 | | 范围 | 本标准规定了金属材料旋转弯曲疲劳试验方法。本标准适用于金属材料在室温和高温空气中试样旋转弯曲的条件下进行的疲劳试验, 其他环境(如腐蚀)下的旋转弯曲疲劳试验也可参照本标准执行。 | GB/T 4337-2015: 金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方法
GB/T 4337-2015 英文名称: Metallic materials -- Fatigue testing -- Rotating bar bending method
ICS 77.040.10
H22
中华人民共和国国家标准
代替GB/T 4337-2008
金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方法
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会发布
1 范围
本标准规定了金属材料旋转弯曲疲劳试验方法。
本标准适用于金属材料在室温和高温空气中试样旋转弯曲的条件下进行的疲劳试验,其他环境
(如腐蚀)下的旋转弯曲疲劳试验也可参照本标准执行。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是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 3075 金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法(GB/T 3075-2008,ISO 1099:2006,MOD)
GB/T 10623 金属材料 力学性能试验术语(GB/T 10623-2008,ISO 23718:2007,MOD)
GB/T 13634 试验机检验用测力仪的校准(GB/T 13634-2008,ISO 376:1999,IDT)
GB/T 24176 金属材料 疲劳试验 数据统计方案与分析方法(GB/T 24176-2009,ISO 12107:
2003,IDT)
GB/T 26077 金属材料 疲劳试验 轴向应变控制方法(GB/T 26077-2010,ISO 12106:2003,
MOD)
3 术语和定义
GB/T 3075、GB/T 10623、GB/T 24176和 GB/T 26077界定的以及下列术语和定义适用于本
文件。
4 符号和说明
本标准使用的符号和说明见表1。
5 试验原理
试样旋转并承受一弯矩。产生弯矩的力恒定不变且不转动。试样可装成悬臂,在一点或两点加力;
或装成横梁,在四点加力。试验一直进行到试样失效或超过预定应力循环次数。
6 试样的形状与尺寸
6.1 试验部分的形状
试验部分可以是:
a) 圆柱形(见图1、图4和图5);
b) 圆锥形(见图2);
c) 漏斗形(见图3、图6和图7)。
上述的每种形状,试验部分都应是圆形横截面。
试验部分的形状应根据所用试验机的加力方式设计。对于圆柱形或漏斗形试样可以简支梁或悬臂
梁一点或两点加力,圆锥形试样只能采用悬臂梁单点加力方式。图1~图7为各种方式的原理图,显示
了各种情况下的弯矩和名义应力图。
不同类型的试样给出的疲劳试验结果可能不同。推荐试验采用使尽可能多的材料体积承受高应力
的方法。
经验表明,试样的夹持部分的横截面积与试验部分的横截面积之比应不低于3∶1。
对于某些材料高应力和高速旋转可能会引起试样发热。如果出现这种情况,应减小试样承受高应
力的材料体积。如果采用冷却试样的方式,冷却介质不得与试验材料发生反应。应选取与试样发生最
小反应的介质,试验介质应在报告中注明。
6.2 试样尺寸
同一批疲劳试验所使用的试样应具有相同的直径、相同的形状和尺寸公差。
为了准确计算施加的力,每支试样实际最小直径的测量应精确至0.01mm。试验前应确保测量试
样尺寸时不损伤试样表面。
对于承受恒定弯曲的圆柱形试样(见图4和图5)试验部分的平行度应保证在0.025mm以内。对
于其他形状的圆柱形试样(见图1)试验部分的平行度应保证在0.05mm以内。试样夹持部分与实验部
分的过渡圆弧半径不应小于3d。对于漏斗形试样,试验部分的圆弧半径不应小于5d。
图8为显示了圆柱形试样的形状和尺寸。推荐直径d为6mm、7.5mm和9.5mm。直径d 的偏
差应不大于0.005d。图9为推荐的高温疲劳试验圆弧形光滑试样(危险截面)。
由于缺口试样的形状和尺寸没有标准化,本标准不覆盖缺口疲劳试验。然而,本标准描述的疲劳试
验过程可以适用于缺口疲劳试样。
7 试样制备
7.1 总则
在测定材料的旋转棒弯曲疲劳特性试验时,应注意以下试样制备的要求。如果试验程序是为了测
定与试样制备要求不相符的某一因素(表面处理,氧化等)的影响,就有可能偏离试样制备的要求。各种
情况的任何偏离都应在报告中注明。
7.2 取样和标记
取样部位、取样方向和试样类型应按有关产品标准或双方协议。
从半成品或零件上取样对试验结果会有影响。因此很有必要在完全了解情况的条件下取样。
取样图应附加到试验报告,应清晰地表明:
---每支试样的位置;
---半成品产品加工的特征方向(轧制方向,挤压方向等);
---每支试样的标识。
试样在加工的每个阶段都应有标识。应采取可靠的方法保证加工过程中标识不会消失或影响试验
的结果。每支试样在完成最终机加工的时候,需要在试样两端头刻上唯一性标识,保证在试样疲劳试验
断裂后,每一半段试样都能被清晰地识别。
7.3 加工过程
7.3.1 试验材料的热处理
如果在粗加工之后进行热处理,建议在热处理之后进行最终的抛光。否则应在真空或惰性气体下
进行热处理以防止试样的氧化。热处理不应改变被研究材料的显微结构特性。热处理的细节和机加工
过程应在试验结果中注明。
7.3.2 机械加工要求
机械加工可能在试样表面产生残余应力。这些残余应力可能是机加工阶段的热梯度或材料变形或
显微结构的变化引起的。残余应力的影响在高温疲劳试验时不需考虑,这是因为残余应力在试样保温
过程中已全部或部分释放。然而应该采取合适的机加工方式来减小残余应力,尤其是在最终抛光阶段。
对于较硬的材料,选取磨削加工工艺更好。
---磨削:试样磨削前的加工余量为+0.1mm,以不超过0.005mm/r的磨削速度进行磨削。
---抛光:用颗粒逐渐减小的不同砂纸去除掉最后的0.025mm加工余量。推荐最终的抛光方向
应沿着试样轴线。
材料显微结构的改变可能由于机加工过程中温度的升高和应变硬化而引起,它可能产生相变或者
更多情况下会发生表面的再结晶。由于试验的材料不再是原始材料而导致试验无效。有些材料由于某
些元素或化合物的存在而影响力学性能。典型的例子就是氯离子对钢和钛合金的影响。在切削过程中
应避免接触这些元素。建议在试样保存之前清洗和去油。
7.3.3 试样的表面状态
试样的表面状态对试验结果有影响。这种影响通常与下列一种或多种因素有关:
---试样表面粗糙度;
---表面残余应力的存在;
---材料显微结构的改变;
---污染物的引入。
下面的建议将使这些因素的影响降到最小。
表面状态用平均粗糙度或当量值来定量化。试样表面状态对试验结果的影响很大程度上依赖于试
验条件,这一影响会被试样的表面腐蚀或塑性变形而减轻。
在各种试验条件下试样的平均表面粗糙度Ra推荐小于0.2μm。
另外一个因素是局部的加工划痕。试样的最终加工要去除所有车削过程中的环向划痕。特别建议
最终的磨削应是纵向机械抛光。用大约20倍的光学仪器检查试样表面,不允许有环向划痕。
7.3.4 尺寸检查
应在最终完成试样加工后,采取不改变表面状态的方法在试样标距部分测量试样直径,取最小值。
7.4 储存与运输
已制备好的试样应妥善保存以避免任何损伤(接触的划痕,氧化等)。推荐使用带封头的独立包装
的盒子或试管。某些情况下在真空容器或填满硅胶的干燥器中储存样品是必要的。
尽量避免运输试样。在运输过程中不应接触试样标距和试样截面部分。然而,一旦接触,用酒精清
洁试样是允许的。
8 试验设备的准确度
可使用不同类型的旋转弯曲疲劳试验机,图1至图7展示了几种主要类型试验机的原理。图11显
示了一种旋转弯曲疲劳机的试验原理。试验机的操作应满足如下要求:弯矩误差的最大允许值为±1%
(见附录A)。
9 加热装置和温度测量装置
9.1 试样用电阻炉等加热装置加热。
9.2 炉温应保持均匀,试样工作部分应在炉膛长度内,温度梯度不大于15℃。
9.3 测量或记录温度所用的热电偶、补偿导线和控温、测温仪表都应定期进行检定。检定周期应符合
产品标准、客户要求和良好的计量操作。
9.4 温度指示装置的分辨力至少为0.5℃,温度测量装置的最小分辨力为0.5℃,其最大允许误差为
±1℃。
10 试验程序
10.1 安装试样
安装每支试样时要避免试验部分承受施加力以外的应力。
为了避免试验过程中的震动,试样的同轴度和试验机的驱动轴应保持在接近的极限值之内。主轴
的径向最大跳动量为±0.025mm,对于单点或两点加载悬臂试验机自由端的径向最大跳动量为
±0.013mm。对于其他类型的旋转弯曲疲劳试验机,实际工作部分两端的径向跳动量不应大于±0.013mm。
施加力之前应满足所需要的同轴度。
10.2 加力
杠杆比应按照本标准的附录A进行标定。试验应力按表2计算。
10.3 频率的选取
选择的频率应适合于材料、试样和试验机的组合。对于给定试验系列,试验频率应当相同。试验过
程中应避免试样震动。
试验频率通常在15Hz~200Hz之间(对应的转速为900r/min~12000r/min)。
高速旋转下的试样可能会发生自热,对疲劳寿命和强度的试验结果可能会产生影响。如果发生此
类情况,建议降低试验频率。在室温下的试验,试样的自热应引起注意。试样温度不应超过试验材料熔
点的30%,并应记录温度。
注:如果环境的影响很明显,试验结果可能具有频率依赖性。
10.4 终止试验
试验一直进行到试样失效或达规定循环次数时终止。如失效位置发生在试样标距以外,则试验结
果无效。
10.5 高温试验步骤
10.5.1 当试样用辐射炉加热时,需要控制转动时的试样温度,在疲劳试验中不能使用直接温度测量方
法。允许用间接温度测量方法在静态下标定试验温度。
10.5.2 测量试样温度有两种方法。
第一种测量方法,也是推荐的方法,间接测量法(即热电偶的热端不直接接触试样工作表面,而与其
相距1mm~2mm)。当使用间接测量法时,试验室应建立试样表面温度与热电偶显示温度之间的关
系。这种关系用于导出修正因子,用于控制试样温度。
第二种方法使用直接测量法(即热电偶热端直接接触试样工作表面,此测量必须在试验机停止转动
的状态下进行)。
注:试样的自加热在这里不考虑。
10.5.3 试样加热至规定的试验温度,保温半小时。在试验过程中,控制炉温的波动范围见表3。
10.5.4 温度测量装置在室温发生变化时应稳定在±1℃。
在试验过程中,若短时间(< 10%Nf)内炉温有降低现象,应将炉温降低期间内的循环次数从总循
环数中减去。如果炉温超温时间大于10%Nf,试样断裂或有异常现象,则试验结果无效。
10.6 S-N 曲线的构成
一个试验不连续的预定循环数通常总是依赖于被测材料。对于某些材料的S-N 曲线在给定的循
环数显示明显的斜率变化,例如曲线的后半段平行于水平轴线。也有一些材料S-N 曲线呈现连续的曲
线,最终趋近于水平轴。对于第一种类型的S-N 曲线,推荐取107 耐久寿命,对于第二种类型,推荐取
108 耐久寿命。疲劳试验的计划见GB/T 24176。特定的循环数应包括在测定的耐久极限应力范围内。
注:通常耐久性对于结构钢是107 耐久寿命,对于其他钢和非铁合金是108 耐久寿命。根据最新的研究,金属通常
不显示出耐久极限应力或疲劳极限,在一应力下,金属将承受有限的耐久寿命。通常所指的应力-寿命平台是
针对传统的疲劳极限或耐久极限,但低于这一应力水平发生的失效也有发生和报道。
11 试验结果的表述
11.1 表格的表达形式
当采用表格的报告格式时,表格内容应包括试样标识,试验顺序,试验应力范围,疲劳寿命或试验结
束时的循环数。
11.2 图形表达形式
最普遍的疲劳试验数据的图形表达形式是S-N 曲线,如图10所示。以横坐标表示疲劳寿命Nf,
以纵坐标表示最大应力,应力范围或应力幅,一般使用线性尺度,也可用对数尺度。用直线或曲线拟合
各数据点,即得S-N 曲线图。当对数寿命呈正......
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