ASTM E466-2015 金属材料力控制恒定振幅轴向疲劳试验标准规程-中文完整版.docx

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ASTME466-2015金属材料力控制恒定振幅轴向疲劳试验标准规程

ASTME466-2015

金属材料力控制恒定振幅轴向疲劳试验标准规程

金属材料力控制恒定振幅轴向疲劳试验标准规程

本标准以固定标号E466发布；标号后面的数字表示最初采用的年份，或如有修订，则表示上次修订的年份。

圆括号内的数字代表上次重新批准的年份。

上标字母（ε）表示从上一次修订或重新批准有编辑上的修改。

1.范围

1.1本规程包括进行力控制轴向疲劳试验的程序，适用于获得处于疲劳状态的金属材料的疲劳强度，其中在初始加载和整个试验过程中主要为弹性应变。

本规程仅限于在室温空气中承受恒定振幅、循环应力的无缺口试样和缺口试样的轴向疲劳试验。

本规程并不用于构件或零件的轴向疲劳试验。

注1 —下列文件，虽然文中没有直接引用，但认为足够重要而列于本规程中：

E739线性或线性应力寿命（S-N）及应变寿命（ε-N）疲劳数据的统计分析规程STP566疲劳试验手册

STP588疲劳实验的统计规划和分析手册

STP731中值疲劳极限的估计表

2.引用文件

2.1ASTM标准：

E3金相试样制备指南

E467轴向疲劳试验系统中恒定振幅动态力验证规程E468金属材料恒定振幅疲劳试验结果的表述规程E606/E606M应变控制式疲劳试验的试验方法

E739线性或线性应力寿命（S-N）及应变寿命（ε-N）疲劳数据的统计分析规程

E1012在拉伸和压缩轴向力作用下试验支架和试样对中的验证规程

E1823疲劳和断裂试验的相关术语

3.术语

3.1定义：

3.1.1本规程所用术语应为E1823中定义的术语。

4.意义和应用

4.1轴向力疲劳试验用于确定材料、几何形状、表面状态和应力等变化对金属材料在相对大量循环中承受直接应力的疲劳抗力的影响。

研究结果也可作为选择在重复直接应力条件下使用的金属材料的指南。

4.2为了验证使用本规程产生的基本疲劳数据的可比性、可重复性和实验室之间的相关性，从统计学的观点来看，进行一轮循环的测试程序可能是有利的。

要做到这一点，就需要控制或平衡那些通常被视为妨害性的变量；例如，硬度、洁净度、晶粒大小、成分、方向性、表面残余应力、表面光洁度等。

因此，在进行这种类型的程序时，必须预先定义和保持一致性，尽可能合理地使用尽可能多的变量，同时尽可能节省和谨慎。

应报告所用的所有材料变量、试验信息和程序，使结果的相关性和再现性认为是相当好的现行试验规程。

4.3只有当试样试验条件真实地模拟使用条件，或有明确定义的计算使用条件的方法时，轴力疲劳试验结果才适合用于设计。

5.试样设计

5.1所用试样的类型取决于试验程序的目的、设备型号、设备容量以及所用材料的形状。

但是，试样的设计应满足下述一些基本要求：

5.1.1试样的设计应使失效发生在试验截面（如图1和图2所示的减小区域）。

确保试验截面失效的可接受面积比（试验截面积与夹持截面积之比）取决于试样夹持方法。

螺纹试样可能难以对齐，当在本规程相关寿命状态中试验时，失效往往在这些应力集中处开始。

需要注意的是，有锋利边缘的测量截面（即，正方形或矩形横截面）存在固有缺陷，因为锋利边缘上的晶粒滑移不受两侧相邻晶粒的限制。

正因如此，如果材料形状有助于此结构，则首选圆形截面。

夹持端相对于量规截面的大小和从量规截面到夹持截面之间的过渡半径，可能会导致过早失效，特别是在夹持截面发生微动磨损或半径太小的情况下。

如果出现这种情况下，应参考引用文件

（1）。

5.1.2为了计算获得所需的应力要施加的力，对于等于或大于0.200in.（5.08mm）的尺寸，计算面积的尺寸应精确到0.001in.（0.03mm），小于0.200in.（5.08mm）的尺寸应精确到0.0005in.（0.013mm）。

拟平行和垂直的截面应符合第8.2条的规定。

。

注2—测量尺寸时假定试样表面光滑。

如果表面不光滑，由于研究的是表面处理或表面条件，所以应按上面的描述测量尺寸，并报告尺寸的平均值、最大值和最小值。

5.2试样尺寸

5.2.1圆形横截面—圆形横截面试样可能为以下两种类型之一：

5.2.1.1在试验截面与端部之间有切向混合圆角的试样（图1）—试验截面直径最好应在0.200in.（5.08mm）和1.00in.（25.4mm）之间。

为确保试验截面失效，夹持横截面至少应是试验截面面积的1.5倍，但对于大多数材料和试样，至少为试验截面面积的4倍。

混合圆角半径应至少为试验截面直径的8倍，从而使试样的理论应力集中系数Kt减至最小。

试验截面的长度应约为其直径的2-3倍。

对于压缩试验，试验截面的长度应约为其直径的2倍，从而使弯曲减至最小。

5.2.1.2两端之间具有连续圆弧的试样（图3）—其曲率半径应不小于最小试验截面直径的8倍，从而使Kt减至最小。

缩小的截面长度应大于最小试验截面直径的3倍。

此外，应采用与5.2.1.1中尺寸相同的试样。

5.2.2矩形横截面——具有矩形横截面的试样可由板材或板材制成，并且可沿一个尺寸（通常为宽度）减小试验横截面，或者可由满足宽度和厚度均减小尺寸的材料制成。

鉴于此，不应采用最大面积比（夹持截面与试验截面之比）。

5.2.1.1中给出的比值1.5可当作一个标准值。

此外，矩形截面试样可能为以下两种型式之一：

5.2.2.1均匀试验截面和端部之间具有切向混合圆角的试样（图4）——混合圆角的半径应至少为试样试验截面宽度的8倍，从而使试样的Kt值减至最小。

试样试验截面的宽度与厚度之比应在2至6之间，缩小的面积最好在0.030in.2（19.4mm2）和1.00in.2（645mm2）之间，如果取样要求保持原表面状态，可不服从上述限制。

试验截面长度应约为其宽度的2-3倍。

对于厚度小于0.100英寸（2.54毫米）的试样，特别是在反向加载过程中（例如R=-1）必须采取特殊的预防措施。

例如，试样对齐非常重要，规程E606/E606M列出的程序是有利的。

同样，参考文献（2-5），尽管这些文献是关于应变控制试验的，但由于其处理厚度约为0.05in.（1.25mm）的薄板试样，因此也可能与此相关。

5.2.2.2两端部之间有连续圆弧的试样（图2）——对于此类试样，应采用与5.2.1.2所述试样相同的限制条件。

面积限制应与5.2.2.1中描述的试样相同。

5.2.3缺口试样—鉴于含有缺口试样的试验程序的特殊性，除了符合试验目的之外，对缺口试样的设计没有限制。

此外，应报告特定缺口的几何形状，缺口尖端半径、缺口Kt的相关信息，以及测定Kt的方法和测定的原始数据。

图1试验截面与端部之间有切向混合圆角的试样

图2两端之间具有连续圆弧的试样

图3两端之间具有连续圆弧的试样

图4均匀试验截面和端部之间具有切向混合圆角的试样

6.试样制备

6.1试样的状态及其制备方法是十分重要的。

不适当的制备方法会严重影响试验结果。

鉴于这一事实，制备方法应由疲劳数据的提供者与用户在试验程序开始之前商定。

由于试样的制备对疲劳数据影响很大，因此在选择制备方法时，应考虑该数据的应用范围或最终目的或同时考虑两者。

附录X1给出了在某些金属上采用的加工程序示例，以尽量减小加工和热处理对疲劳寿命的可变性影响。

6.2一旦某项工艺被确定并批准用于特定的材料和试样形状，则不应进行更改，因为更改后的工艺可能会引入潜在偏差。

无论采用何种机加工、研磨或抛光方法，最终的金属去除应在与试样长轴大致平行的方向上进行。

由于工艺过程会长期影响疲劳性能，因此应在报告中明确说明整个工艺。

6.3最应避免的影响是圆角咬边和试样加工过程中引入的残余应力。

在研究这些参数时，又当别论。

通过检查可以很容易地确定圆角咬边。

可通过仔细控制加工程序确保表面残余应力减至最小。

建议使用X射线衍射峰值偏移或类似技术来测定这些表面残余应力，并沿着测定的方向（即纵向、横向、径向等）报告表面残余应力的值。

6.4贮存——由于试样在室温大气下会发生腐蚀，所以应进行相应的保护，最好是放在惰性介质中。

通常在试验前用适当溶剂去除保护介质，而不使试样的寿命受到不良影响。

6.5检验——所有试样应使用肉眼或20×以下的低倍放大镜下进行目测检验。

不允许有任何明显的异常情况，如裂缝、加工痕迹、凿槽、咬边等。

试验前试样应使用对材料的机械特性无损伤和无害的溶剂清洗，以去除任何表面油膜、指印等。

尺寸分析和检验应以不会产生明显标记、划痕、凿槽、刻痕或改变试样表面的方式进行。

7.设备性能

7.1通常可选用下列类型疲劳试验机的任一种进行试验。

7.1.1机械式（偏心曲轴、强力螺杆、质量转动），

7.1.2电动机械式或电磁式驱动

7.1.3液压式或电动液压式。

7.2为了确保在整个试验期间保持所要求的负荷形式和大小，应对试验机的运作进行分析。

7.3这些试验机应具有力监控系统，比如用与试样串连安装或直接装在试样上的传感器，除非由于空间或其它限制而无法使用这种系统。

在试验初期，需连续监控试验力，此后也要定期监控，以确保所要求的力循环保持不变。

在整个试验期间，通过适当的动态检验（见规程

E467）测定的应力大小应保持在所需试验值的2%以内。

7.4试验频率——疲劳产生的频率范围可能受不同材料的速率效应的影响。

在产生大多数结果的10-2-10+2Hz典型范围内，大多数金属工程材料的疲劳强度通常不受影响。

超出此范围的推断或将此假设扩展到环境试验温度和所述频率范围内可能为粘弹性或粘塑性的其他材料系统，超出了实施规程E466的范围。

作为警告，如果发生局部屈服，可能会导致显著的试样发热从而影响疲劳强度。

8.实验步骤

8.1装夹试样——试样夹具最重要的一点在于其能始终使每根试样对中良好（见8.2）。

对于最常用的夹具，对中良好必须非常注意设计细节。

应尽一切努力防止由于扭曲（夹点旋转）或对称轴位移引起的错位。

8.2对中校验——为使弯曲应力（应变）减至最小，试样夹具应对齐，使每个周期中试样的长轴与负载轴紧密重合。

每个试样的对准精度保持一致很重要。

对于圆柱形或矩形试样，应使用规程E1012（在拉伸和压缩轴向力作用下验证试验框架和试样对中的标准实施规程）中详细说明的程序测定调直。

应完全记录获得对中数据的点（应力或应变）。

如果试验中使用压缩应力（应变），则对中必须在压缩状态下验证。

对于特定的试验程序，一旦确定工艺并获批准之后，由于改变工艺可能会带来潜在偏差，因此不得改变原来的制造工艺。

在试验程序期间，为了提供可接受的对准，必须对弯曲应力（应变）进行重复测量。

在圆柱形或矩形截面试样上测定的弯曲应力（应变）不得超过试验期间施加的应力（应变）范围的最大值或最小值的5%，或±100微应变，取较大者。

弯曲应力（应变）应使用规程E1012第10节

（计算和结果的解释）的方法计算。

如果力系变化，则需要进行对准校验。

如果力系没有任何变化，则至少每12个月进行一次对准校验。

弯曲应力（应变）越小，试样之间的试验结果重复性就越大。

这对延展性低的材料尤为重要（即，弯曲应力（应变）不得超过最小应力（应变）幅值的5%）。

由于弯曲应力（应变）会长期影响疲劳性能，因此应报告弯曲应力（应变）。

注3——本部分参考规程E1012中的A型试验。

注4——正如本部分所提到的，力系结构的变化通常是指力系主要构件的变化例，如测力传感器、促动器、

十字头或夹持装置。

一些力系结构在试样插入期间需要部分拆卸和重新组装。

对于此类系统，必须很好的控制加载程序并证明产生的弯曲应力（应变）不超过试验期间施加的应力（应变）的范围、最大值或最小值的5%，或±100微应变，取较大者。

注5——强烈建议应变仪对准传感器在尺寸上与预期的试样接近。

应变仪对准传感器材料的弹性性能应

与预期试样材料接近或相同。

目标是使用具有与预期试样相同或更低刚度的对准传感器。

9.试验结束

9.1继续试验直到试样达到失效标准或试样所承受的循环数达到预定值。

“失效”的定义为：

试样完全断开成两部分、在规定放大倍数下发现肉眼可见裂纹或裂纹长度达到特定尺寸，或其它的判定标准。

在报告试验结果时，要说明用于定义“失效”所选择的判定标准并与给定的数据一致。

10.报告

10.1报告以下信息：

10.1.1疲劳试样、步骤和结果应按照E468报告。

10.1.2本规程仅限于用金属试样在适当环境（一般是在室温大气中）下进行的试验。

由于环境对试验结果的影响很大，因此环境条件（即温度、相对湿度以及介质等）在试验过程中应定期记录并报告。

10.1.3通常使用周期强迫函数（通常为正弦函数）进行疲劳试验。

然而，不论强迫函数如何

（正弦形、斜坡形、锯齿形）都应报告清楚。

10.1.4当非缺口试样在试验中发生明显屈服时（如非零平均应力疲劳试验），已进行试验但还未破坏的试样的永久变形（如试样横截面积的百分比变化）应予以报告。

10.1.5断裂特征的简要描述；试验后金相或扫描电子显微镜的结果，或两者的结果；疲劳机理的识别；穿晶和沿晶开裂的相对程度是非常有利的。

10.1.6根据要求，应报告使用实施规程E1012第10节（结果计算和解释）方法计算的线形弯曲应变。

附录

（非强制性信息）

X1.加工程序的示例

X1.1当开发下述程序用于加工高强度材料并伴随最小表面损坏和改变时，才可成功地应用于低强度材料。

作为保守的一般测量方法，建议使用该程序，除非（：

1）实验目的是评价另一个给定表面条件，

（2）已知进行评价的材料对表面条件相对不敏感。

X1.2程序：

X1.2.1在加工的最后阶段，去除少量材料直到保留0.125mm（0.005in.）的剩余材料。

X1.2.2以每次通过不超过0.005mm（0.0002in.）的速度通过外圆磨削去除紧接着的0.1mm

（0.004in.）测量直径。

X1.2.3通过纵向抛光（注X1.1）去除最后0.025mm（0.001in.），以在纵轴方向获得0.2μm（8μin.）的最大表面粗糙度Ra。

注X1.1—抛光时应特别注意，以确保材料被正确的去除，而不仅仅是抛磨产生光滑表面。

这对于软材料特别危险，抛光时可能在材料表面产生划痕，从而对试验期间裂纹萌生产生潜在的不良影响。

X1.2.4抛光（见注X1.1）后，所有剩余研磨和抛光痕迹应是纵向的。

在约20×放大倍率的光学显微镜下观察，应没有周向加工。

X1.2.5去除成品试样表面油脂。

X1.2.6如果需要热处理，则在最后加工前进行。

X1.2.7如果要进行表面观察，试样可能根据方法E3进行电解抛光。

X1.2.8在远离夹持表面的低应力区域的试验截面两端压印试样编号。