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| 标准编号 | GB/T 37306.1-2019 (GB/T37306.1-2019) | | 中文名称 | 金属材料 疲劳试验 变幅疲劳试验 第1部分：总则、试验方法和报告要求 | | 英文名称 | Metallic materials -- Fatigue testing -- Variable amplitude fatigue testing -- Part 1: General principles, test method and reporting requirements | | 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 | 22,253 | | 发布日期 | 2019-03-25 | | 实施日期 | 2020-02-01 | | 起草单位 | 广州大学、上海大学、广东出入境检验检疫局检验检疫技术中心、上海出入境检验检疫局工业品与原材料检测技术中心、深圳万测试验设备有限公司 | | 归口单位 | 全国钢标准化技术委员会(SAC/TC 183) | | 提出机构 | 中国钢铁工业协会 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 37306.1-2019
Metallic materials--Fatigue testing--Variable amplitude fatigue testing--Part 1: General principles, test method and reporting requirements
ICS 77.040.10
H22
中华人民共和国国家标准
金属材料 疲劳试验 变幅疲劳试验
第1部分:总则、试验方法和报告要求
(ISO 12110-1:2013,IDT)
2019-03-25发布
2020-02-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
中国国家标准化管理委员会 发 布
目次
前言 Ⅰ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 试验原理 3
4.1 控制信号的产生 3
4.2 试验方法概述 3
5 原始加载时间历程 5
5.1 总则 5
5.2 数据过滤 5
6 加载时间历程 5
6.1 总则 5
6.2 时间历程序列 5
6.3 循环计数法 6
7 程序模块 6
8 转换矩阵及其控制信号的生成 9
8.1 矩阵的建立 9
8.2 载荷信号的重建 9
8.3 控制信号简化 10
9 变幅疲劳试验 10
10 试验报告 11
10.1 总则 11
10.2 原始加载 11
10.3 试验条件 11
10.4 单个试样和系列试样试验数据的初始分析 12
附录A(资料性附录) 标准加载时间历程 13
附录B(资料性附录) 在转换矩阵中随机抽取加载信号重建示例 14
附录C(资料性附录) 单个试样试验资料的初始分析 16
参考文献 19
前言
GB/T 37306《金属材料 疲劳试验 变幅疲劳试验》分为两个部分:
---第1部分:总则、试验方法和报告要求;
---第2部分:循环计数和相关数据缩减方法。
本部分为GB/T 37306的第1部分。
本部分按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本部分使用翻译法等同采用ISO 12110-1:2013《金属材料 疲劳试验 变幅疲劳试验 第1部分:
总则、试验方法和报告要求》。
与本部分中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下:
---GB/T 3075-2008 金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法(ISO 1099:2006,MOD);
---GB/T 6398-2017 金属材料 疲劳试验 疲劳裂纹扩展方法(ISO 12108:2012,MOD);
---GB/T 24176-2009 金属材料 疲劳试验 数据统计方案和分析方法(ISO 12107:2003,IDT);
---GB/T 26077-2010 金属材料 疲劳试验 轴向应变控制方法(ISO 12106:2003,MOD);
---GB/T 34104-2017 金属材料 试验机加载同轴度的检验(ISO 23788:2012,MOD)。
本部分做了下列编辑性修改:
---用国家标准GB/T 37306.2《金属材料 疲劳试验 变幅疲劳试验 第2部分:循环计数和相
关数据缩减方法》代替了资料性引用的国际标准ISO 12110-2(见6.3,第9章)。
本部分由中国钢铁工业协会提出。
本部分由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC183)归口。
本部分起草单位:广州大学、上海大学、广东出入境检验检疫局检验检疫技术中心、上海出入境检验
检疫局工业品与原材料检测技术中心、深圳万测试验设备有限公司。
本部分起草人:徐忠根、吴益文、汪宏斌、周崎、郭轩、黄星。
金属材料 疲劳试验 变幅疲劳试验
第1部分:总则、试验方法和报告要求
1 范围
GB/T 37306的本部分规定了各循环变幅的实验室试样循环序列疲劳试验的总则。
本部分对变幅疲劳试验做出规定和给定总则,以便在考虑疲劳数据的典型分散时生成用于比较的
一致结果。
本部分在理论上适用于应变和力控制或控制疲劳裂纹扩展速率的加载条件,在采用本部分的加载
模式而非力-控制加载模式时应采取适当的保护措施。
本部分适用于单轴加载的单作动器加载模式。
本部分所指的变幅加载时间历程是确定的,这就是本部分涉及变幅加载而不是随机加载的原因。
下列各项不属于本部分的考虑范围之内:
---出现孤立的过载或欠载现象的恒幅疲劳试验;
---大型零部件或结构件的试验;
---环境影响,如腐蚀、与温度/时间相关的蠕变导致对频率和波形产生的影响;
---多轴加载。
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。
ISO 1099 金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法(Metalicmaterials-Fatiguetesting-Axial
force-controledmethod)
ISO 12106 金属材料 疲劳试验 轴向应变控制方法(Metalicmaterials-Fatiguetesting-
Axial-strain-controledmethod)
ISO 12107 金属材料 疲劳试验 数据统计方案和分析方法 Metalicmaterials-Fatigue
ISO 12108 金属材料 疲劳试验疲劳裂纹扩展方法(Metalicmaterials-Fatiguetesting-
ISO 23788 金属材料 疲劳试验机加载同轴度的检验(Metalicmaterials-Verificationofthe
3 术语和定义
ISO 1099、ISO 12106、ISO 12107和ISO 12108界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
表示自试验开始每次循环累积而成的直方图。
注:累积频率图也称为累积频谱或累积分布。
3.2
循环 cycle
在恒幅疲劳加载下周期性重复的力-时间/应力-时间/应变-时间,或施加于试样的其他某种信号中
的最小区段。
注:在变幅加载中,循环的定义随所使用的计数方法而变化。
3.3
循环计数法 cyclecountingmethod
计算一个给定长度的加载时间历程循环次数的方法。
3.4
加载 loading
在试样上施加变化的力、应变或其他控制量的统称。
注:本部分主要指力控加载模式。
3.5
加载分布 loadingdistribution
载荷随循环变化的简单分布或累积分布。
注1:加载分布是对实际服役加载记录统计处理的结果或工业领域(如汽车、航空航天)特有的典型分布。加载分布
适用于力加载模式和应变加载模式或其他加载模式。
注2:加载分布通常称为“加载谱”。应避免使用频域加载。
3.6
加载直方图 loadinghistogram
载荷随循环变化的简单直方图或累积直方图。
注1:加载时间历程是对实际服役加载记录统计处理的结果或工业领域(如汽车、航空航天)特有的典型分布。加载
直方图适用于力加载模式和应变加载模式或其他加载模式。
注2:术语“力历程”在力控加载模式中应该已经使用过,但这在变幅疲劳的领域中并不常见。无论控制变量是否包
括力,始终使用术语“加载时间历程”。
3.7
加载时间历程 loadingtimehistory
载荷幅从一个循环到下一个循环变化的加载循环序列。
注1:加载时间历程是对实际服役加载记录统计处理的结果或工业领域(如汽车、航空航天)特有的典型分布。加载
时间历程适用于力加载模式和应变加载模式或其他加载模式。
注2:术语“力历程”在力控加载模式中应该已经使用过,但这在变幅疲劳的领域中并不常见。无论控制变量是否包
括力,始终使用术语“加载时间历程”。
3.8
加载功率谱 loadingpowerspectrum
随机加载时间历程的频域描述。
注:功率谱是时间信号相关函数的傅里叶积分。
3.9
忽略 omission
去除非损伤循环或载荷幅小于阈值水平的循环。
3.10
忽略水平 omissionlevel
去除非损伤循环的阈值水平。
3.11
峰值 peak
加载时间历程的一阶导数从正变为负的点。
注:对于恒幅加载,峰值对应于最大载荷。对于变幅加载,峰值对应于加载时程中的局部最大载荷。
3.12
随机抽取 randomdraw
具有不同范围和平均值的半循环序列。
3.13
谷值 valey
加载时间历程的一阶导数从负变为正的点。
注1:谷值是一个相对最小值或“波谷”。
注2:谷值是恒幅加载的最小载荷点。
3.14
所有峰值载荷不相等或所有谷值载荷不相等或者所有峰值、谷值载荷都不相等的加载模式。
注1:也称为“不规则加载”。
注2:“谱载”不能代替变幅加载,因为谱载不是载荷与时间的函数。
4 试验原理
4.1 控制信号的产生
由于很难从原始加载时间历程中获得任何循环次数或失效并由此直接有效地控制疲劳试验,且施
加在试样上的真实加载时间历程的记录数量不能代表实际加载,该实际加载只能从加载信号的全部统
计计算中得出,这些统计特性从大量实际加载测量中得到;所以原始加载时间历程通常需要进行简化才
能施加到试样。
原始加载时间历程的简化通常是通过把信号分析加载到两种模拟加载控制信号上来完成。这两种
模拟控制信号通过程序模块或转换矩阵随机抽取信号获得。如果试验机和相关电子设备可以自行简
化,则未作简化的原始加载时间历程可以直接施加到试样。
使用循环计数法进行原始信号分析。然后将从循环计数中获得的数据用于构建程序模块的累积频
率图或随机抽取的转换矩阵。
注1:程序模块的主要优点是控制信号由一系列恒幅块组成,其中每一块的幅值都不相同。因此,不需要通过计算
机生成复杂的数字控制信号。
注2:无论从转换矩阵中随机抽取的重建控制信号如何复杂,该控制信号对于实际加载仍然比采自同一实际加载的
程序模块更具有代表性。此外,由于数字电子学和计算机的巨大进步,过去的几十年以来,通过随机抽取产生
控制信号已经越来越容易。
在下列情况下,应对信号进行过滤,过滤时应谨慎选择过滤参数以避免过滤不恰当而导致去除显著
损伤疲劳循环。应谨慎处理平均应力、残余应力、孤立的高幅过载等情况。
a) 从在役加载零部件直接测量获得的原始信号通常包含电子噪声或其他非疲劳振动。在使用循
环计数程序处理原始信号之前,应消除这些干扰;
b) 由于非损伤循环通常是最多的(见8.3.1),当需要进行快速试验时,可以通过去除从程序模块
或随机抽取中获得的控制信号来消除非损伤循环(最短周期)以显著缩短试验持续时间。
注3:当加载时程出现孤立的高幅过载时,这些孤立的高幅过载实际上因产生了有利的残余应力而提高疲劳寿命。
4.2 试验方法概述
变幅疲劳试验使用累积频率图(程序模块)或随机抽取获得的控制信号加载于试样。
试样的响应通过负荷传感器或力传感器或应变计给定的测量值监测且这些输出数据用于闭环控制。
注:变幅疲劳试验通常采用液压伺服试验设备,但是在闭环控制试验的情况下可以使用其他作动器。
试验结果于试样断裂为两部分或达到另一个失效准则失效时报告。试验结果可能包括失效的循环
次数或序列数,裂纹扩展测量值或任何另一个试样损伤过程数据。
具体的试验测试原理如图1所示,试验主要步骤的详细信息在本标准后续部分给出。
注:虚线框为可选步骤。
图1 收集变幅加载数据并转换成进行实验室变幅疲劳试验输入数据的流程图
5 原始加载时间历程
5.1 总则
原始零部件或结构的加载时间历程有两类来源:
a) 第一类来源是对在役零部件或结构件的载荷情况的直接测量,通过使用应变计或其他传感装
置并采用数字式数据采集系统对测量结果进行记录和存储;
注:汽车轮毂、悬挂系统、铁路转向架、涡轮叶片、飞机机翼梁是承受疲劳载荷的典型元件。
b) 第二类来源是工业领域典型的标准加载时间历程,其意义通常被大多数参与相关工业领域的
人员所认可。
原始加载时间历程通常由多次完全重复一个给定长度(时间或循环数)的加载序列构成。从一个序
列到下一个序列只能观察到非常细微的变化。
当原始加载时间历程由直接测量在役零部件载荷获得时,可能需要进行过滤以消除电子或机械噪
声。过滤时应谨慎选择过滤参数以避免去除显著损伤疲劳循环。
可采用平均应力调制滤波法(见8.3)。
5.2 数据过滤
5.2.1 一般要求
高效的数据过滤可以大大减少用于生成变幅疲劳控制信号的数据量。
过滤通常含设置的加载或加载振幅的临界值或阈值。
临界值或阈值的选择应考虑所研究疲劳进程的现有知识和经验,并且尤其要避免忽略在零部件或
构件疲劳损伤过程中起主要作用的真正损伤循环。
5.2.2 噪声过滤
通常忽略对疲劳没有贡献的叠加在疲劳加载信号上的高频低幅峰值,如由数据记录系统(应变仪)
产生的电子噪声,并应在每个单独试样的试验报告中注明所引用的相关标准。
6 加载时间历程
6.1 总则
加载时间历程可用以下三种方法中的任意一种描述:
---时间历程序列;
---循环计数;
---功率或能量密度谱。
6.2 时间历程序列
变幅加载可分为不连续或部分连续随机过程。这些随机过程可以通过在役测量或时间步长计算
确定。
短程可由连续的力-时间的信号表示,长程需要由一系列连续的短程表示(见图2),其中每个短程
一般是连续的。长程通过以正确的顺序连接短程获得。
说明:
X ---时间;
Y ---载荷;
1 ---加载顺序。
图2 载荷-时间历程
6.3 循环计数法
加载时间历程可用一系列的循环数表示。在这种情况下,循环出现的顺序丢失。
原始加载时间历程通过循环计数程序处理,该程序通过疲劳寿命的任意时刻定义循环和循环次数
来描述原始信号。该程序允许以与恒幅加载条件相同的方式定义零部件的失效循环次数。
可用不同的循环计数方法。所有的方法都是将整个加载范围(在最小值和最大值之间)划分水平或
级别。32个加载水平基本足够(见图2)。计数方法参见GB/T 37306.2。
注1:一般工业实践采用64个加载水平。
注2:最常见的循环计数法有:
---交叉水平计数;
---峰值计数;
---简单范围计数;
---范围成对计数;
---“雨流”计数。
当原始加载时间历程完全通过相关计数法处理时,按照以下两个方法之一进行:
a) 确定累积频率图和建立程序模块;
b) 通过随机抽取确定转换矩阵并重建加载时间历程。
程序模块序列的疲劳寿命有时与随机加载序列下的疲劳寿命有很大差异,应尽可能避免使用。
7 程序模块
程序模块由累积频率图导出,该累积频率图对应于用已加载超量与循环数的关系表示的累积概率,
它是一条光滑连续曲线(见图3)。
说明:
1---高斯正态分布;
X---循环;
Y---归一化的应力范围。
图3 累积加载图示例
将累积频率图简化成离散箱图。载荷划分应以等效损伤的方式进行。首箱是载荷水平最大的离散
箱图,其他离散箱图取各载荷的平均值。这样的恒幅加载箱也称为模块(见图4)。
说明:
X ---累积循环;
Y ---归一化的应力范围。
注:这样的模块允许Palmgren-Miner求和。
图4 累积加载图的模块化
这些模块从累积频率图中提取,以建立如图5所示的加载序列。一般序列中8~10个模块就足以
很好地描述累计次数不超过106次的累积频率图。
说明:
a---应力;
b---一个时间序列。
图5 500000个循环的Gassner八步设计程序序列
累积频率图也是真实零部件或结构的正确加载模式的典型代表。如图6所示的载荷分布是非高斯
分布的例子,其中高相对频率对应于高载荷。这是典型的高载荷结构,如起重机、起重桥等。载荷分配
“a”代表在最大载荷下恒幅加载的载荷。载荷分配“d”代表载荷的高斯正态分布(预期在最大载荷超载
例如106时的零载荷)。
说明:
X ---累积循环,Nc;
Y ---归一化的应力范围。
X=(Ntot)1-Y
X=累积循环;
Ntot=总共的累积循环;
Y=统一的负载幅值(最大荷载对应1)。
图6 不同载荷分布函数示例
通过建立模块来设计加载序列的过程通常被称为块编程。由于每个模块都包含在恒幅加载中,因
此这些程序模块块很容易由试验机控制器生成,而不需要复杂的实时计算机控制系统来运行程序模块。
模块的出现顺序可能对少数块的疲劳试验的疲劳寿命有很大的影响。例如,在仅有两个模块组成
的疲劳试验中,首先作用大幅值模块的疲劳寿命要比首先作用小幅值模块的小。为了减小模块的出现
顺序对疲劳寿命的影响,建议至少重复20次试验。
8 转换矩阵及其控制信号的生成
8.1 矩阵的建立
实施变幅疲劳试验的另一种方法是通过利用转换矩阵随机抽取来重建控制信号。
转换矩阵根据循环计数过程中定义的加载水平或级别建立。从一个相对极值到下一个相对极值的
转换次数记录于矩阵中。例如,从i级到j级的转换次数aij记录在矩阵i行和j列的元素中。如果转
换是从i类中的相对最大值到j类(i >j)(峰谷)中的相对最小值,则转换aij记录于矩阵对角线下方
(见图7)。对角线中的值aij应为零或非常接近于零,因为从i级到同一级别i的转换很少发生。如果
在同一级别中这种转换发生得更频繁,应把原始信号重新划分成更多更窄的级别。这将提高信号建模
的精度。当使用计算机技术对原始加载时间历程进行数据分析时,循环计数和转换矩阵的建立可以同
时进行。
当转换矩阵被转换数完全填充时,建立即完成。然后将用于加载试样的控制信号通过矩阵中的转
换的随机抽取进行重建。
说明:
1---应力水平i;
2---应力水平j;
3---从最小到最大的转换,i< j;
4---从最大到最小的转换,i >j。
图7 转换矩阵
8.2 载荷信号的重建
8.2.1 转换矩阵法
使用以下程序通过在矩阵中转换的随机抽取重建加载信号。实际只有一些而并不是所有的抽取是
真正随机的,因为在重建的信号中应避免不连续,并且每次向上转换应紧接着向下转换,反之亦然(向上
和向下的转换应交替进行)。
附录B给出了随机抽取的一个示例。i的取值是随机的,例如i=α。j应满足α< j≤n。在区间
[j,β]内随机抽取的第一个转换就是ααβ。为了避免不连续性并在向上的第一个转换之后产生向下的转
换,接下来的转换应该是αβj并且j应满足1≤j< β。在这个区间内随机抽取,j=λ,并且第二转换是向
下的(β >λ)。同理,第三个转换应该是αβλ,且λ< j≤n。在区间[j,δ]内随机抽取,第三个转换是向上
的(λ< δ)。
注:特殊情况下,约束可以固定在两个随后的转换之间可接受的最大差值上(1/2循环),以防止非代表性循环。
8.2.2 能量密度谱法
能量密度谱法可以应用多种程序重建加载信号。对于每一种程序,关键是要验证所产生的时间信
号能量等于频谱能量。例如,可以应用以下程序。
S是能量密度谱中E(ω)的总面积(总能量),选择一系列均匀分布的ωi覆盖全范围的频谱ω;它们
的数量是N;两个连续的ωi之间的间隔是Δω。
加载信号见式(1):
F(t)=α∑
Aisin(iΔωt+ψi) (1)
式中:
Ai---零部件振幅,等于[ΔωE(ωi)]1/2;
ψi---从均匀分布中随机抽取得到的随机相......
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