| 标准编号 | GB/T 46444-2025 (GB/T46444-2025) | | 中文名称 | 碳纤维增强陶瓷基复合材料高温拉-拉疲劳性能试验方法 | | 英文名称 | Test method for tension-tension fatigue properties of carbon fiber reinforced ceramic matrix composites at elevated temperature | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | Q53 | | 国际标准分类 | 59.100.20 | | 字数估计 | 14,167 | | 发布日期 | 2025-10-31 | | 实施日期 | 2026-05-01 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会 | GB/T 46444-2025: 碳纤维增强陶瓷基复合材料高温拉-拉疲劳性能试验方法
ICS 59.100.20
CCSQ53
中华人民共和国国家标准
碳纤维增强陶瓷基复合材料高温拉-拉疲劳
性能试验方法
2025-10-31发布
2026-05-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 发 布
前言
本文件按照GB/T 1.1-2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定
起草。
请注意本文件的某些内容有可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由全国碳纤维标准化技术委员会(SAC/TC572)提出并归口。
本文件起草单位:南京航空航天大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、中国航发北京航空材料研究
院、中国航空制造技术研究院、中国科学院金属研究所、中国航发四川燃气涡轮研究院、中国航发沈阳发
动机研究所、中国航发湖南动力机械研究所、上海瑞华晟新材料有限公司、南京玻璃纤维研究设计院有
限公司、中国航发商用航空发动机有限责任公司、南京航空航天大学无锡研究院、常州工学院。
本文件主要起草人:宋迎东、高希光、于国强、方光武、李龙、胡建宝、焦健、邱海鹏、汤素芳、师俊东、
尤超、张盛、王雅娜、吴涛、马丹、米栋、曹源、沈庆阳、邵红艳、郑远义、高建辉、汪文君、曾雨琪、周海军、
薛玉冬、李天山、崔恒、陈明伟、庞生洋、胡成龙、洪辉、张屹尚、孔祥浩、孙杰、王涛、杨彬。
碳纤维增强陶瓷基复合材料高温拉-拉疲劳
性能试验方法
1 范围
本文件规定了碳纤维增强陶瓷基复合材料高温条件下拉-拉疲劳S-N 寿命曲线和条件疲劳极限试
验方法的原理、仪器设备和材料、试样、试验条件、试验步骤、结果计算和试验报告。
本文件适用于测定由连续碳纤维增强的陶瓷基复合材料在600℃~1650℃高温环境下的拉-拉疲
劳载荷下的S-N 曲线和疲劳极限,连续碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料参照使用。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文
件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于
本文件。
GB/T 1446 纤维增强塑料性能试验方法总则
GB/T 2611 试验机 通用技术要求
GB/T 12160 金属材料 单轴试验用引伸计系统的标定
GB/T 16825.1 金属材料 静力单轴试验机的检验与校准 第1部分:拉力和(或)压力试验机
测力系统的检验与校准
GB/T 16839.1 热电偶 第1部分:电动势规范和允差
GB/T 40724 碳纤维及其复合材料术语
3 术语和定义
GB/T 40724界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
应力比 stressratio
一个循环内应力的最小值与最大值的比率。
3.2
应变比 strainratio
一个循环内应变的最小值与最大值的比率。
4 原理
高温环境下,在不同的拉伸应力或应变水平下,以恒定的应力或应变振幅、应力比和频率对试样施
加交变应力或应变,持续至试样失效或达到规定循环次数,对试验结果进行分析处理,绘制应力寿命
(S-N)曲线或应变寿命(ε-N)曲线,获取条件疲劳极限。
5 仪器设备和材料
5.1 疲劳试验机
应符合GB/T 2611的要求。静载荷示值误差应在±1%以内,动载荷示值误差应在±3%以内。试
验机应能设定波形(如正弦波、方波、三角波、锯齿波等),试验频率满足试验要求。
5.2 高温夹具
5.2.1 概述
根据试样及高温炉几何尺寸选用高温夹具:
a) 若试样长度较短且高温炉厚度较大,采用转接式高温夹具;
b) 若试样长度较长,采用与试验机夹头匹配的楔形水冷夹具。
5.2.2 转接式高温夹具
转接式高温夹具在高温炉外使用,夹具应包含带延长杆的主体部分和前后夹块,延长杆应与试验
机、夹具主体连接良好。转接式高温夹具应配置有合适的夹块以便于夹持试样,防止试样出现打滑或夹
持段破坏。
转接式高温夹具宜采用GH4169等高温合金加工,且夹具主体需具备水冷结构。夹具中心线应能
与试验机中心线保持对中。转接式高温夹具结构如图1所示,高温夹具、试样以及试验机夹头的装配关
系如图2所示。
a) 主视图 b) 左视图
c) 俯视图 d) 轴测图
标引序号说明:
1---夹具主体;
2---垫块;
3---盖板;
4---水冷接口。
图1 转接式高温夹具结构图
标引序号说明:
1---试验机夹头;
2---夹块;
3---上夹具主体;
4---下夹具主体;
5---试样;
6---水冷管。
图2 转接式高温夹具、试样以及试验机夹头的装配关系图
5.2.3 楔形水冷夹具
楔形水冷夹具如图3所示,楔形水冷夹块的夹面上应加工细齿,以保证可提供足够的摩擦力。夹面
的长度和宽度等于或者大于试样被持部分的尺寸。
a) 正视图 b) 左视图
标引序号说明:
1---上夹头;
2---上夹头的水冷夹块;
3---试样;
4---下夹头;
5---下夹头的水冷夹块;
6---水冷管。
图3 楔形水冷夹具结构图
5.3 高温炉
高温炉宜采用对开式结构,炉体中心应上下设置通孔,便于安装试验件及夹具。应能提供试验所需
的温度,并保证试样工作段处于均温区,均温区温度波动不超过±10℃。
5.4 冷却系统
水冷型冷却系统,控温范围5℃~30℃,精度±1℃。
5.5 温度测量装置
推荐使用热电偶,测量允差应符合GB/T 16839.1规定。当试样标距长度为25mm~50mm时,应
使用不少于两个热电偶,热电偶置于标距段的两端。标距长度超过50mm时,宜在试样标距段的中心
放置第三个热电偶。
温度测量装置的最低分辨率、温度允许偏差和温度均匀性见表1。
表1 温度测量装置的最低分辨率、允许偏差和均匀性
序号 温度范围 最低分辨率 温度允许偏差 温度均匀性
1 300℃~< 1000℃ ±3℃ ±3℃ ±5℃
2 1000℃~1650℃ ±3℃ ±6℃ ±0.5%测试温度
5.6 应变测量装置
可采用高温引伸计或试验机夹头相对位移测量试验过程中的应变。高温引伸计测量精度应满足
GB/T 12160要求。
5.7 尺寸测量装置
采用卡尺或千分尺进行尺寸测量。卡尺的测量精度应不少于0.01mm,千分尺测量精度应不少于
0.002mm。
5.8 保温棉
长期使用温度不低于疲劳测试温度。
6 试样
6.1 试样制备
采用满足加工精度和加工损伤要求的方式进行加工。试样的取位区,一般宜距已切除毛边的板材
边缘20mm以上,最小不应小于10mm。若取位区有鼓包、分层、褶皱、翘曲等缺陷,则应避开。试样
加工完成后应及时清洗干净,在大气环境下进行干燥处理,干燥温度150℃~250℃,干燥时间不少于
4h。检查试样外观,有明显孔洞、加工损伤等应作废;对试样进行无损检测,内部不应出现明显缺陷。
6.2 试样数量
根据可用试样数量及试验目标选择合适的试样数量:
a) 若测量S-N 曲线或ε-N 曲线,则设置不少于4个应力或应变水平,每个应力或应变水平下有
效试样数量不少于3件;
b) 若测量材料的疲劳极限,有效试样数量不少于15件。
6.3 试样形状和尺寸
试样为哑铃形,推荐如图4所示的两种试样形状。试样厚度可根据材料实际工艺情况确定,厚度
3mm~5mm均可,推荐厚度4mm±0.1mm。试样总长度和工作段长度根据高温炉实际尺寸确定。
单位为毫米
a) 试样形式1
b) 试样形式2
图4 拉-拉疲劳试样的形状及推荐尺寸
7 试验条件
7.1 温度
7.1.1 试验温度:600℃~1650℃。
7.1.2 升温速度:20min~60min升温至目标温度。
7.1.3 保温时间:达指定温度后保温10min~20min,以确保试样在炉内受热均匀。
7.2 疲劳试验参数
7.2.1 试验波形:正弦波或由相关方商定。
7.2.2 试验频率:5Hz~30Hz均可,推荐值为5Hz。
7.2.3 控制方式:载荷控制或应变控制。
7.2.4 应力比或应变比:0.05或由相关方商定。
8 试验步骤
8.1 S-N 曲线或ε-N 曲线
8.1.1 试样高温静态拉伸失效应力、失效应变的测定按附录A规定进行。
8.1.2 检查试样外观,记录检查结果。如有明显的加工损伤,应予以作废。
8.1.3 将试样编号,测量试样工作段任意3处的宽度和厚度,取其算术平均值,计算出试样横截面
面积。
8.1.4 装夹试样,使试样的中心线与上下高温夹具中心线、试验机夹头中心线一致。
8.1.5 根据试样工作段的位置调节高温炉的高度,保证试样工作段位于高温炉均温区内。
8.1.6 闭合高温炉,使用保温棉填充密封高温炉上下通孔与试样之间的空隙。
8.1.7 设置高温炉的升温速率及目标温度,启动高温炉对试样进行加热,试样升温至试验所需温度后
保温,保温时间按7.1的规定。
8.1.8 按照试验要求选择疲劳试验波形和试验频率。
8.1.9 按试验目的,选取不少于4个应力或应变水平,一般按疲劳试验的最大应力或应变表征水平。
选取应力或应变水平按下列要求进行:
a) 第一个水平以104 循环数为目标;
b) 第二个水平以105 循环数为目标;
c) 第三个水平以5×105 循环数为目标;
d) 第四个水平以1×106~2×106 循环数为目标。
8.1.10 按6.2推荐的试验件数量开展试验,获取S-N 曲线。试验过程中应随时检查设备状态,观察试
样的变化,记录异常现象。
8.1.11 试样失效或达到规定的循环数后停止试验,记录循环数,待高温炉内降至室温后取下试样。
8.1.12 记录试样状态,试样失效后,应保护好试样断口。
8.1.13 对于无效试验结果需补充试验,以满足试验数量要求。试验过程中如果发生下列情况之一,则
认为试验结果无效:
a) 高温夹具损坏;
b) 试验机故障;
c) 试样在非试验段发生破坏;
d) 其他非正常现象。
8.2 条件疲劳极限的测定
8.2.1 按8.1.1~8.1.8进行。
8.2.2 按升降法测定疲劳极限,在静拉伸强度以下设定若干级应力水平,作为疲劳峰值应力,乘以试样
横截面面积计算出对应载荷,并设定应力比。应力水平推荐设置4级,如σ0、σ1、σ2、σ3、σ4,应力依次递
减,各级应力水平之间的增量应保持不变。推荐σ0 以5×105 循环数为目标,各级应力之差取5%~
10%静态拉伸强度。
8.2.3 按6.2准备试样,在初始应力水平σ0 下进行第1根试样疲劳试验。如试样在达到规定的截止寿
命(推荐为106 或由相关方商定)之前发生了失效,记为“破坏”,否则记为“越出”。
8.2.4 前一根试验结果为“破坏”,则下一根试样在低一级的应力水平下进行试验;前一根试验结果为
“越出”,则下一根试样在高一级的应力水平下进行试验,直到完成全部试样为止。试验过程中应随时检
查设备状态,观察试样的变化,记录异常现象。
8.2.5 按8.1.11~8.1.13进行。
9 结果计算
9.1 S-N 曲线或ε-N 曲线
按6.2a)规定的试样数量测定S-N 曲线或ε-N 曲线,即获得若干个不同应力或应变水平下的疲劳
寿命,通常取对数寿命。则以y轴为应力水平或应变水平,以x 轴为循环次数的对数,绘制疲劳S-N
曲线或ε-N 曲线。
不同水平下的对数疲劳寿命按式(1)计算:
X=
n∑
i=1
lgNi (1)
式中:
X ---每一组试验中对数疲劳寿命平均值;
Ni---每一组试验中第i个试样的疲劳寿命;
n ---每一组试验的有效试样个数。
9.2 条件疲劳极限
条件疲劳极限的截止寿命推荐为106 或由相关方商定。
按照8.2规定在完成所有试样试验后,以试样编号为横坐标,应力水平为纵坐标,将所有试样的结
果绘制成图,升降法测疲劳试验示例如图5所示。
图5 升降法测疲劳试验示例图
相邻的“破坏”和“越出”视为一对相反结果,将出现第一对相反结果以前的数据舍弃。当完成第7
根试样的试验后,按照式(2)开始计算疲劳强度,并陆续计算出第8根,第9根,第10根试样试验后
的疲劳强度值。疲劳强度数值的变化越来越小并趋于稳定,将完成所有试样后计算出的疲劳强度值作
为测定的疲劳极限。
σfl=
n∑
i=1
Viσi (2)
式中:
σfl---疲劳极限;
n ---有效试验总次数;
Vi---第i级应力水平下的试验次数;
σi---第i级应力水平。
10 试验报告
报告应包括以下内容:
a) 试验项目名称、本文件编号;
b) 试验日期;
c) 试样来源及制备情况,材料品种及规格;
d) 试样编号、形状和尺寸、外观质量及数量;
e) 试验温度、频率、波形、应力水平、应力比或应变比;
f) 试验设备及仪器的型号、规格;
g) 试样静态拉伸强度或失效应变;
h) 疲劳试验实际温度历程;
i) 试样最终循环次数及试样破坏模式;
j) S-N 曲线或ε-N 曲线和疲劳极限(若有);
k) 试验过程中试样发生的异常现象和破坏特征。
附 录 A
(规范性)
碳纤维增强陶瓷基复合材料高温静态拉伸试验方法
A.1 原理
高温环境下,以规定的速度对试样施加拉伸载荷,在整个过程中测量施加在样品上的载荷和标距的
变化,利用试样的载荷、形变量、截面积来计算拉伸失效应力和失效应变。
A.2 仪器设备与材料
A.2.1 试验机
试验机应具有均匀的横梁位移速度。试验机测量力范围的级别应符合GB/T 16825.1规定的1级
或更高精度。
A.2.2 其他设备与材料
按5.2~5.8规定。
A.3 试样
A.3.1 试样制备
按6.1的规定。
A.3.2 试样数量
有效试样不少于3件。
A.3.3 试样形状与尺寸
按6.3的规定。
A.4 试验步骤
A.4.1 检查试样外观,记录检查结果。如有明显的加工损伤,应予以作废。
A.4.2 将试样编号,测量试样工作段任意3处的宽度和厚度,取其算术平均值,计算出试样横截面
面积。
A.4.3 装夹试样,使试样的中心线与上下高温夹具中心线、试验机夹头中心线一致。
A.4.4 根据试样......
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