GB／T 41154-2021  金属材料 多轴疲劳试验 轴向-扭转应变控制热机械疲劳试验方法

应预测试样的拉伸和压缩性能。设计试样时，应按GB/T228.1、GB/T228.2和GB/T7314测定 拉伸和压缩性能。如需要测定材料的平均晶粒尺寸，应按GB/T6394进行测定 推荐试样形状如图1所示。试样设计时，应保证同心度，避免附加弯曲应力

注：图中标引符号及基说明

施工质量标准规范范本试样的具体尺寸要求见

表2薄壁管试样的尺寸要求

径比值的标准取值范围内试样疲劳寿命的差别不应过大。

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6.5.2材料显微组织的改变

材料显微组织的改变可能与机加工引起的温升和变形有关。温升和变形可能造成试样发生相变或 更常见的表面再结晶，直接的后果是被测材料原始状态的改变，使试验结果无效。因此应采取措施避免 此类情况的发生

某些元素或化合物的出现会破坏材料的力学性能。典型的例子是氯元素对钢材或钛合金的影 此，应避免使用含这类元素或化合物的产品（切削冷却液等）。保存试样之前宜去除试样表面的江 清洗干净。

6.6.1半成品或构件试验材料的取样操作可能对试验结果产生重要的影响，因此取样时需要 具体的状况

各个试样的位置； 半成品的加工方向特征（例如轧制、挤压方向等）； 一各个试样的标记。 5.6.3试样在整个准备过程都应有唯一性标识。标识可以采用任何可靠的方法标记在试样上，只要标 识在加工过程中不会消失和不影响试验结果。试验前标识应分别标记在试样两端

6.7.1试样的表面状态会对试验结果产生影响，这种影响通常与以下一个或几个因素有关： 试样的表面粗糙度； 一存在残余应力； 一材料显微组织的变化； 一污染物的介人。 6.7.2试样的表面状态通常用表面 意义的参量表征（如，十点的粗糙度或不平度的最大

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注：使用磨粒流工艺对内表面进行抛光，能够达到建议的内表面粗糙度。 6.7.4另一个不包含在表面粗糙度中的重要参量是存在于局部的加工划痕。加工的最后工序应去除 所有环向的划痕。在磨削之后宜对试样进行纵向抛光。在低倍（约20倍）下检查试样应没有环向的 划痕。 6.7.5如果在试样表面粗加工完成后再进行热处理，应在热处理后对试样表面进行抛光。如果不能抛 光，则热处理应在真空环境或惰性气体保护条件下进行，以避免试样的氧化。同时宜去除热处理引起的 应力。 6.7.6热处理应不改变被测材料的显微结构特征。热处理及机加工的详情应在试验报告中注明

6.8.1试样制备完成后应要善存放以避免任何损害（接触刮伤或氧化等）。宜采用单独的盒子或带封 头的管保存试样。在一些特定情况下，有必要将试样存放在真空瓶或者放有硅胶的干燥器中， 6.8.2应减少对试样的拿取操作，以避免损伤。 6.8.3对试样进行标记时应特别小心。宜在试样的两端标记试样，以便试样断裂后每段试样都可以被 识别。

7.3.1温度循环在整个试验过程中应保持稳定。 注：在整个试验过程中保持稳定的温度循环的重要性见参考文献[2]。 7.3.2在零载荷条件下温度循环的任一给定温度点（T），轴向热应变（e）的滞后不应大于相应的轴向 热应变范围（△h）的5%。 7.3.3整个试验期间，控温装置（例如热电偶)在循环内任何给定时刻显示的温度与预设值的偏离不应 超过士5℃或者稳定温度（即已建立温度的动态平衡）范围值的士1%，取较大者。 7.3.4整个试验期间，非控温传感器在循环内任何给定时刻显示的温度不应超过稳定温度值的土3℃。

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7.5轴向机械应变和剪切应变控制

7.5.1轴向机械应变和剪切应变的循环波形应在整个试验过程中保持恒定。 7.5.2轴向机械应变m=Et 一Eh，在循环的任一时刻不应偏离轴向机械应变范围要求值的2%。轴向 机械应变范围的要求值根据总应变和补偿热应变之间的差得到。轴向机械应变和温度都应在整个试验 期间保持循环稳定，在整个试验过程中都应保持同步，不应有累积误差。 7.5.3剪切应变在循环的任一时刻不应偏离剪切应变范围要求值的2% 尚

为了得到需要的轴向机械应变，应在试验中主动补偿由于温度产生的轴向热应变。

有儿种方法可以用来补偿产生的轴可热变 这些方法取决于特定的试验装置和控制软硬件。然 而最主要的目的是在循环内给定点提供足够精确的轴向热应变补偿，并由此准确地控制轴向机应变。 7.6.2.2和7.6.2.3中给出了常用的两个方法

式中： —t时刻的温度

=Em(t)+Et(T)

注：式中en(t)不是常数

Etot=Em(t)+E(t)

7.6.3轴向热应变补偿检查

时 =2%eminm XE(T在min 时，

Omax 可接受的最大轴向应力，单位为兆帕（MPa）； max,m 最大轴向机械应变，单位为毫米每毫米（mm/mm）； min 可接受的最小轴向应力，单位为兆帕（MPa）； min.m 最小轴向机械应变，单位为毫米每毫米（mm/mm）。 3.4可接受应力应不大于（αmax一0min）/2。 3.5零轴向机械应变下测量的温度循环产生的轴向应力绝对值不应超过上面确定的可接受轴向 围.确保在正式试验过程中控 机械应变范围之内

7.7轴向机械应变和剪切应变、轴向机械应变和温度的相位差

/.7.1整个试验过程，轴向机械应变和剪切应变的相差在循坏环期间的意时刻漂移不应超过期望相 位3°。 7.7.2轴向机械应变和温度如果用共同的时钟控制（推荐采用）时，轴向机械应变和温度的相位通常不 成为问题。 7.7.3用于评估轴向机械应变和温度相位差的温度值应是热循环过程的响应值（反馈值），而不应是指 令值。 7.7.4当轴向机械应变和温度使用各自独立的时钟控制时，用以下的方法评估轴向机械应变和温度之 间的相位： 用于评估轴向机械应变和温度的相位差的轴向机械应变由循环期间的瞬时总应变减去补偿的 轴向热应变计算得到，如公式（8）：

整个试验过程，轴向机械应变和温度的相位差在循环期间的任意时刻漂移不应超过期望 位5*。 试验过程中要特别注意温度相位的响应变化。宜通过测量同一时刻的轴向机械应变和温度 位漂移，并与起始循环比较得到相位漂移量。应当在整个试验过程检测相位的漂移 6典型的加载波形有以下四种： 轴向机械应变循环和剪切应变循环同相位，轴向机械应变循环与温度循环同相位（MIPTIP 见图2； 轴向机械应变循环和剪切应变循环同相位，轴向机械应变循环与温度循环180°非同相 (MIPTOP）,见图3;

轴向机应变循环和剪切应变循环同相位，轴向机械应变循环与温度循环同相位（MIPTIP） 见图2； 轴向机械应变循环和剪切应变循环同相位，轴向机械应变循环与温度循环180°非同相位 (MIPTOP），见图3； 轴向机械应变循环和剪切应变循环90非同相位，轴向机械应变循环与温度循环同相位

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(MOPTIP），见图4； 轴向机械应变循环和剪切应变循环90°非同相位，轴向机械应变循环与温度循环180°非同 位（MOPTOP），见图5。 加载波形也可为其他相位关系

V1P11P），元图4 轴向机械应变循环和剪切应变循环90°非同相位，轴向机械应变循环与温度循环180°非同相 位（MOPTOP），见图5。 加载波形也可为其他相位关系

图2MIPTIP加载波形图

图3MIPTOP加载波形图

图4MOPTIP加载波形图

图5MOPTOP加载波形图

轴向机械应变、剪切应变和温度的波形在试验过程中应一直重复且保持不变。在一项试验或试

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轴向机械应变（剪切应变）速率的变化。同一系列试验轴向机械应变（剪切应变）的速率变化不宜超过 5

7.9.1弹性模量和剪切模量测量

7.9.3轴向机械应变和剪切应变开始加载

应监控整个试验过程的试样温度、轴向总应变和剪切应变等控制变量。轴向机械应变和剪切应 按7.5的要求进行控制，试验温度条件应按7.3的要求控制

时，则认为试样失效。应记录所有失效位置。 7.11.2当试验轴向力（扭矩）下降到稳定峰值轴向力（扭矩）的某一规定值（常在5%50%之间）认为 试样失效。 7.11.3试样表面的复型技术可用于判定试样的失效。这种方法需要在预定的循环间隔中断疲劳试验 见7.13），做试样表面的复型，例如使用醋酸纤维膜。随后检查用膜连接起来的表面裂纹，当观察到的 最大裂纹扩展到规定的长度（一般在0.1mm~1mm之间）时，判定为失效

7.11.3试样表面的复型技术可用于判定试样的失效。这种方法需要在预定的循环间隔中 （见7.13），做试样表面的复型，例如使用醋酸纤维膜。随后检查用膜连接起来的表面裂纹，当 最大裂纹扩展到规定的长度（一般在0.1mm~1mm之间）时，判定为失效

.12.1当满足选定的试验结束条件时终止试验。为了减小试样和裂纹表面的腐蚀和氧化，以便试验 后的检查，只要试验终止，应立即停止加热。如果失效判据不是试样断开，应确保终止试验期间不过载。 .12.2宜对失效试样进行后续的金相和断口分析。由此确认各种失效机理，并有助于了解判废试验 结果的非正常现象

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至少应绘制典型的轴向应力、轴向机械应 、剪切应力、剪切应变、温度与时间的关系图，轴向机 与轴向应力、温度的关系图，以及剪切应变与剪切应力、温度的关系图。

对同一系列试验应采用相同失效判据进行规定

8.4.1单个试验结果的表达

变与时间的关系图，以及典型循环的迟滞回线，轴向机械应变对轴向应力和温度的关系图，剪切应变对 剪切应力和温度的关系图。还应包括开始直到失效的每一个记录的循环的最大与最小轴向应力，剪切 应力、轴向总应变反馈、剪切应变反馈和温度

8.4.2系列试验结果的表达

系列试验结果的表达取决于试验研究目的暖通空调设计、计算，通常包括寿命L寿命分数（n/N）与最大轴向应力、最 小轴向应力、最大剪切应力、最小剪切应力、非弹性轴向机械应变范围和非弹性剪切应变范围的关系图。 另外还应包括每组材料弹性模量、剪切模量与温度的关系图，每根试样轴向热应变与温度的关系图。 表3列出系列试验报告的典型数据

表3系列试验的典型数据

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表3系列试验的典型数据（续）

试验报告应包括以下内容： a）本文件编号； b）材料牌号和规范编号、生产厂家、炉批号、材料规格、热处理制度； ） 材料微观结构和沿着长度方向以及薄壁管厚度方向的晶粒尺寸、化学成分和常规力学性能等 （如适用）； d 试样的形状、尺寸、表面状态等； e 试验设备的基本信息； f 轴向热应变补偿技术和结果，例如方法1或方法2，见7.6.2； g）试验控制变量：试验温度，频率，应变速率，应力比或应变比，载荷或应变最大、最小值和波形， 轴向、扭向应变波形之间的相位角： h）试验过程中不符合本文件的任何情况； 1） 试验结果：轴向应力、轴向机械应变、剪切应力、剪切应变以及温度随时间变化关系；典型循环 的迟滞回线；轴向机械应变与轴向应力关系，剪切应变与剪切应力关系；试样失效的确定方法： 导致试样失效的主裂纹方向；与引伸计和试样的接触点有关联的裂纹以及所有超出规定界限 外的控制变量差值

弹性模量（E）和切模量（G）可用如下的方法测定 在温度稳定条件下，用循环拉伸和压缩载荷控制的三角波（或正弦波），测量每个温度的弹性模 量（E）。 在温度稳定条件下，用循环扭矩载荷控制的三角波（或正弦波），测量每个温度的剪切模量 （G）。 施加的轴向力值或扭矩值不超过最高温度下材料屈服等效应力的20%，应力循环的频率不小 于0.1Hz。每个温度的模量至少通过5个循环确定。 需要的测量数与试验温度范围和试验温度下应力（或应变）范围的大小有关。宜测量温度循环 中最小、平均和最大温度的模量，或以不使模量变化超过5%的温度间隔测量模量，取其中效 果较优者。

弹性模量（E）和切模量（G）可用如下的方法测定 在温度稳定条件下布线标准，用循环拉伸和压缩载荷控制的三角波（或正弦波），测量每个温度的弹性模 量（E）。 在温度稳定条件下，用循环扭矩载荷控制的三角波（或正弦波），测量每个温度的剪切模量 （G）。 施加的轴向力值或扭矩值不超过最高温度下材料屈服等效应力的20%，应力循环的频率不小 于0.1Hz。每个温度的模量至少通过5个循环确定。 需要的测量数与试验温度范围和试验温度下应力（或应变）范围的大小有关。宜测量温度循环 中最小、平均和最大温度的模量，或以不使模量变化超过5%的温度间隔测量模量，取其中效 果较优者。

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