金属材料高低周疲劳全应变-寿命曲线测试方法与流程

本发明涉及金属材料力学性能测试，具体涉及一种金属材料高低周疲劳全应变-寿命曲线测试方法。

背景技术：

随着结构设计理念的变化，越来越多的用户进行结构设计时要求提供原材料一种新的疲劳性能表征方法，本发明命名为全应变-寿命曲线。该曲线包括低应力小应变下的高周疲劳特征和高应力大应变下的低周疲劳特征，将材料的高周疲劳和低周疲劳性能统一起来，用应变-寿命曲线进行表征。而传统所说的应变-寿命曲线主要用于描述材料高应力大应变下的低周疲劳行为，低应力的高周疲劳行为用应力-寿命曲线来描述。

由于结构件在使用过程中，各个部位所承受的变形量不同，有些部件承受较大的变形量，有些部件承受较小的变形量，若要在设计时能合理评估其不同部位的安全使用寿命，就必须依附材料不同应变量所对应的寿命，因此，需要测量材料的全应变-寿命曲线作为数据支撑。

目前国家关于疲劳寿命曲线的测试标准主要有四个，国家标准gb/t15248-2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》和gb/t26077-2010《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》主要适用于材料发生较大应变时，试验过程应变控制，循环寿命低于10⁵次的低周疲劳试验测试；gb/t3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》和gb/t26076-2010《金属薄板(带)轴向力控制疲劳试验方法》规定了应力控制的高周疲劳试验条件，循环寿命一般在10⁵～10⁷之间，得到的是应力-寿命曲线。由于全应变-寿命曲线是个全新概念，关于这方面的文献非常少，文献《characterizationofthestrain-lifefatiguepropertiesofthinsheetmetalusinganopticalextensometer》中提出用光学引伸计测试薄板的应变-寿命曲线。该方法采用位移控制模式，在试样的平行段做两个标记点，通过dic数字采集系统拍照跟踪试验过程中两个标记点距离的变化，从而推算出应变量。然而，该方法不是应变控制，而位移转换的应变误差较大，而且数字采集系统的频率有限，大量的数据很难采集完整。

综上所述，金属材料的全应变-寿命曲线是结构件设计中所必需的基础数据，而目前国内外标准和文献中还没有关于其表征方法和测试技术的统一规定。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述背景技术的不足，提供一种金属材料高低周疲劳全应变-寿命曲线测试方法，该方法将传统的高周疲劳与低周疲劳统一用全应变-寿命曲线进行表征，适用范围更广、准确度更高。

为实现上述目的，本发明提供的一种金属材料高低周疲劳全应变-寿命曲线测试方法，包括如下步骤：

1)在低周疲劳阶段，采用应变控制对试样进行疲劳试验，在每个应变级下得到该应变幅值对应的低周循环寿命nf’的有效数据点，同时采集每个应变级下对应的低周塑性应变幅值δεp’/2、低周弹性应变幅值δεe’/2、低周应力幅值δσ’/2；

2)以每个应变级下对应的低周塑性应变幅值δεp’/2和低周应力幅值δσ’/2进行幂函数拟合，得到低周塑性应变幅值δεp’/2与低周应力幅值δσ’/2之间的拟合关系式：

δεp’/2＝a(δσ’/2)^b

式中，a为拟合系数，b为拟合指数；

3)在高周疲劳阶段，采用应力控制对试样进行疲劳试验，在每个应力级下得到该应力幅值对应的高周循环寿命nf”的有效数据点，并根据每级的高周应力幅值δσ”/2计算对应的高周塑性应变幅值δεp”/2和高周弹性应变幅值δεe”/2；

4)将低周疲劳阶段得到的低周塑性应变幅值δεp’/2、低周弹性应变幅值δεe’/2与低周循环寿命nf’、以及高周疲劳阶段得到的高周塑性应变幅值δεp”/2、高周弹性应变幅值δεe”/2与高周循环寿命nf”在双对数坐标中进行绘制，得到初始的全应变-寿命曲线；

5)对双对数坐标的数据点进行幂指数拟合，分别得到弹性应变幅值拟合公式和塑性应变幅值拟合公式，最后计算得到总应变幅值与循环寿命的曲线公式，即为拟合后的高低周疲劳全应变-寿命曲线。

进一步地，所述步骤1)中，在低周疲劳阶段，试样的循环寿命＜10万次；采用引伸计进行应变控制，试验频率为0.1hz～1hz。

进一步地，所述步骤1)中，采用应变控制对试样进行疲劳试验过程中，选择5～7个应变级，相邻应变级的梯度为0.1‰～3‰；在每个应变级下得到该应变幅值对应的低周循环寿命nf’的有效数据点数量为2～4个。

优选地，当试样的循环寿命在5万次到10万次之间时，相邻应变级的梯度为0.1‰～0.25‰。

进一步地，所述步骤3)中，在高周疲劳阶段，试样的循环寿命≥10万次；采用应力控制对试样进行疲劳试验，试验频率为10hz～25hz，因为在该频率范围内，材料疲劳性能的频率效应很小。

进一步地，所述步骤3)中，采用应力控制对试样进行疲劳试验过程中，选择4～6个应变级，相邻应力级的梯度为10mpa～40mpa；在每个应力级下得到该应力幅值对应的高周循环寿命nf”的有效数据点数量为2～5个。

进一步地，所述步骤3)中，高周塑性应变幅值δεp”/2由如下公式计算而得：

δεp”/2＝a(δσ”/2)^b

式中，a为拟合系数，b为拟合指数，δσ”/2为高周应力幅值。

进一步地，所述步骤3)中，高周弹性应变幅值δεe”/2由如下公式计算而得：

δεe”/2＝δσ”/2×e

式中，δσ”/2为高周应力幅值；e为材料的静态弹性模量。

进一步地，所述步骤5)中，弹性应变幅值拟合公式由如下公式表示：

式中，δεe/2为弹性应变幅值；nf为循环寿命；σf′为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数。

再进一步地，所述步骤5)中，塑性应变幅值拟合公式由如下公式表示：

式中，δεp/2为塑性应变幅值；nf为循环寿命；εf′为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数。

更进一步地，所述步骤5)中，总应变幅值与循环寿命的曲线公式由如下公式表示：

式中，δεt/2为总应变幅值；δεe/2为弹性应变幅值；δεp/2为塑性应变幅值；nf为循环寿命；σf′为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数；εf′为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

其一，本发明首次提出了塑性应变幅值与应力幅值之间的幂函数关系式，从而可以计算出应力控制的高周疲劳阶段不同的应力级别对应的塑性应变，不再需要用引伸计单独采集应变，大大节省了试验用时，提高了试验效率。

其二，本发明解决了应力控制高周疲劳阶段总应变幅值、弹性应变幅值和塑性应变幅值计算问题，每个应力对应的总应变幅值等于弹性应变幅值加塑性应变幅值，弹性应变幅值为应力幅值除以静态弹性模量，并提出塑性应变幅值的计算公式，从而解决了应力控制的疲劳试验无法得到应变的问题。

其三，本发明首创提出了金属材料高低周疲劳全应变-寿命曲线测试方法，该试验过程中包括了大应变的短寿命疲劳和小应变的长寿命疲劳，准确选择两个阶段不同的试验控制方法，该方法将传统的高周疲劳与低周疲劳统一起来，统一用全应变-寿命曲线来表征，克服了对于低应力高周疲劳阶段应变的采集及弹性应变和塑性应变的无法分离的技术难点。

其四，本发明提出全应变-寿命曲线用应变与循环寿命nf表征，而不是传统的用应变与循环寿命反向数2nf来表征，传统的方法都是用引伸计应变控制循环周次在10万次以内的低周疲劳，全应变-寿命曲线中的循环寿命有的高达600～700万次，若再用循环寿命反向数2nf来表征将超过其定义的疲劳极限寿命，因此本发明的方法比传统的表征方法适用范围更广、准确度更高。

附图说明

图1为循环应变硬化曲线；

图2为总应变幅值与循环寿命nf拟合曲线图；

图3为总应变幅值与循环寿命的反向数2nf拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合实施案例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

1)在低周疲劳阶段，试样的循环寿命＜10万次时，采用引伸计进行应变控制对试样进行疲劳试验，根据国标gb/t15248-2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》的试样要求，加工带平行部的疲劳试样，试样的表面粗糙度要满足该国标的要求，疲劳试验在液压疲劳试验机上完成，应变级别分别为1.6‰、1.8‰、2‰、3‰、5‰、9‰，在每个应变级下得到该应变幅值对应的低周循环寿命nf’的有效数据点数量为3个，试验频率为0.5hz，循环应力下降20％～30％时试验结束；

2)以每个应变级下对应的低周塑性应变幅值δεp’/2和低周应力幅值δσ’/2进行幂函数拟合，得到低周塑性应变幅值δεp’/2与低周应力幅值δσ’/2之间的拟合关系式，如图1所示：

δεp’/2＝a(δσ’/2)^b＝3.236e-12(δσ’/2)^3.83

式中，拟合系数a＝3.236e-12；拟合指数b＝3.83；

3)在高周疲劳阶段，试样的循环寿命≥10万次，采用应力控制对试样进行疲劳试验，试验频率为20hz，因为在该频率范围内，材料疲劳性能的频率效应很小。选择的应力级分别为：130mpa、140mpa、150mpa和160mpa，在每个应力级下得到该应力幅值对应的高周循环寿命nf”的有效数据点数量为2～5个，并根据每级的高周应力幅值δσ”/2计算对应的高周塑性应变幅值δεp”/2和高周弹性应变幅值δεe”/2；

高周塑性应变幅值δεp”/2由如下公式计算而得：

δεp”/2＝a(δσ”/2)^b

式中，a为拟合系数，b为拟合指数，δσ”/2为高周应力幅值。

高周弹性应变幅值δεe”/2由如下公式计算而得：

δεe”/2＝δσ”/2×e

式中，δσ”/2为高周应力幅值；e为材料的静态弹性模量。

其应力控制和应变控制得到的试验数据如下表1所示：

表1

4)将低周疲劳阶段得到的低周塑性应变幅值δεp’/2、低周弹性应变幅值δεe’/2与低周循环寿命nf’、以及高周疲劳阶段得到的高周塑性应变幅值δεp”/2、高周弹性应变幅值δεe”/2与高周循环寿命nf”在双对数坐标中进行绘制，得到初始的全应变-寿命曲线；

5)对双对数坐标的数据点进行幂指数拟合，分别得到弹性应变幅值拟合公式和塑性应变幅值拟合公式，最后计算得到总应变幅值与循环寿命的曲线公式，即为拟合后的高低周疲劳全应变-寿命曲线。

弹性应变幅值拟合公式由如下公式表示：

式中，δεe/2为弹性应变幅值；nf为循环寿命；σf′为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数。

塑性应变幅值拟合公式由如下公式表示：

式中，δεp/2为塑性应变幅值；nf为循环寿命；εf′为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数。

总应变幅值与循环寿命的曲线公式由如下公式表示：

式中，δεt/2为总应变幅值；δεe/2为弹性应变幅值；δεp/2为塑性应变幅值；nf为循环寿命；σf′为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数；εf′为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数。

将上述试验结果分别用总应变幅值与循环寿命nf表征(如图2所示)和总应变幅值与循环寿命的反向数2nf表征(如图3所示)，结果如下所示：

应变幅值与循环寿命nf的拟合公式为：

应变幅值与循环寿命的反向数2nf的拟合公式为：

假定材料的循环寿命为50000次时，由公式(1)计算出的总应变为0.002112，由公式(2)计算出的总应变为0.002135，结果基本吻合，这也进一步证明了本发明提出用应变与循环寿命nf进行表征全应变-寿命曲线是科学合理的。

以上，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，其余未详细说明的为现有技术。