GB_T 43896-2024 金属材料 超高周疲劳 超声疲劳试验方法.docx

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1、ICS77.040.10CCSH22OB中华人民共和国国家标准GB/T438962024金属材料超高周疲劳超声疲劳试验方法MetallicmaterialsVeryhighcyclefatigueUltrasonicfatiguetestmethod2024-04-25发布2024-11-01实施国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会目次前言IIl引言IN1范围12规范性引用文件13术语和定义14符号和说明I5原理26试样37试验装置78试验步骤99试验报告10附录A（资料性）超声疲劳试样的设计12附录B（资料性）不同形状超声疲劳试样的应力控制方法17参考文献19本文件按照GB/T1.1-2

2、020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。本文件由中国钢铁工业协会提出。本文件由全国钢标准化技术委员会(SAaTC183)归口。本文件起草单位：宝山钢铁股份有限公司、四川大学、冶金工业信息标准研究院、钢铁研究总院有限公司、苏州迈达检测科技有限公司、中国科学院力学研究所、华东理工大学、国家能源集团新能源技术研究院有限公司、成都美创途科技有限公司、浙大城市学院、深圳信测标准技术服务股份有限公司、浙江省特种设备科学研究院、山东骏程金属科技有限公司、中国海洋大学、浙江吉森金属科技有限公司。本文件主要起草

3、人：彭文杰、孙成奇、王清远、吴圣川、刘冬、朱明亮、董莉、王宠、尉文超、周冶东、杜晋峰、谢卿、李荣锋、夏立、轩福贞、高怡斐、方健、侯慧宁、孙谱、崔洪芝、秦斌、杜丽影、武晓雷、温建锋、刘永杰、李文凯、乔湛、时捷、傅军平、李洪光、崔中雨。随着工业技术的发展，一些工程中的部件，例如发动机部件、汽车承载部件、铁路轮轴和轨道、飞机、桥梁和特殊医疗设备等，承受循环载荷，实际服役寿命都超过了102周次，甚至高达100周次。近年来，超高周次承载部件越来越多，金属材料超高周疲劳测试需求与日俱增，超声疲劳试验方法是完成超高周疲劳的有效手段之一。相比高周疲劳，超声疲劳由于试验频率大幅提高，试样尺寸设计、应力控制等都和

4、高周疲劳不同，已不适宜采用高周疲劳试验方法。超声疲劳试验因其超高工作频率而具备以下特点：加速疲劳试验，大幅缩短疲劳试验周期；可对零部件/结构的金属材料进行超高周次（例如108周次、10。周次甚至101。周次）疲劳试验。金属材料超高周疲劳超声疲劳试验方法1范围本文件规定了室温下金属材料超高周疲劳超声疲劳试验方法的试样、试验装置、试验步骤及试验报告。本文件适用于试验频率在20000Hz500Hz、单端轴向受激振动、应力比R=-I的超高周疲劳试验。其他应力比或超声谐振频率的疲劳试验可参照本方法，相应的试样需要单独设计与验证。本文件不包含缺口试样，但本文件中描述的疲劳试验过程可应用于缺口试样的超高周疲

5、劳试验。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/T2614锲倍-锲硅热电偶丝GB/T3075金属材料疲劳试验轴向力控制方法GB/T38897无损检测弹性模量和泊松比的超声测量方法JJE1305线位移传感器校准规范JJG623电阻应变仪JJG856工作用辐射温度计3术语和定义GB/T3075界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1超高周疲劳veryhighcyclefatigue循环周次大于IO?的疲劳。3.2超声疲劳试睑ult

6、rasonicfatiguetest在超声谐振频率下施加循环应力的疲劳试验。3.3超声疲劳试样ultrasonicfatiguespecimen满足超声频率谐振要求的疲劳试样。4符号和说明本文件使用的符号和相应的说明见表1。表1符号和说明符号说明单位bo板状试样最小宽度（不含平行段）或平行段宽度Hn)bi板状试样端部的宽度ffiC谐振波在材料中的传播速度，c=（Eap）2km/sDo圆形试样最小直径（不含平行段）或平行段直径BfnDi圆形试样端部直径Ea动态弹性模量，测量方法参见GB/T38897GPaf谐振频率Hz1.o试样的变截面段长度，试样具有不同测试直径或宽度的长度IIfn1.a试样的

7、端部长度1.o试样的平行段长度，试样具有相同测试直径或宽度的长度m1.z试样有效长度IlfnI5试样变截面段长度的一半，lo=1.b2Ia试样端部长度的一半，Ia=1.a/2wnIp试样平行段长度的一半，l,=1.p2nmI2试样有效长度的一半，1,=1.,/2Binr试样的过渡弧半径MTit板状试样的厚度amUO试样端部振动位移幅值UmGa试样中间截面应力幅值MPaP密度gcm30角频率，w=211fHz5原理超声疲劳试验采用超声发生器产生20000HZ的电信号，压电陶瓷换能器将电信号转换成相同频率的机械振动，经位移放大器放大后传递至试样，在试样中产生谐振波，使试样获得频率约为20000Hz

8、按正弦波变化的轴向位移和应力，见图1。标引序号说明：1工控机；2超声发生器；3 压电换能器；“试样轴向应力分布。试样轴向位移分布。4 位移放大器；5超声疲劳试样；6超声疲劳试样端部。图1超声疲劳试唳原理示意图6试样6.1 试样尺寸设计6.1.1 试样尺寸的理论设计超声疲劳试验常用的试样类型有漏斗形、等截面圆形和板状。设计超声疲劳试样尺寸时，尺寸组合应满足试验系统谐振频率为20000Hz的谐振条件，否则试样将不能起振，试验无法进行。设计试样尺寸之前应先根据GB/T38897确定材料的动态弹性模量，再根据材料的密度和不同形状试样的几何尺寸理论公式计算满足试验谐振频率的端部长度值，见附录A。注1:为

9、了保证设计的超声疲劳试样能正常起振，动态弹性模量测试设备的准确度需优于2级。注2：在进行高温超声疲劳试验时，设计试样尺寸用对应温度下的动态弹性模量值和密度值进行计算。6.1.2 试样尺寸的有限元方法设计除了利用理论公式设计试样尺寸，还可采用有限元方法。根据试样的几何形状和尺寸建立有限元网格模型，通过调整试样尺寸进行模态计算，直至计算得到的谐振频率在1.98X10Hz-2.02104Hz范围内，计算流程如图2所示。图2基于有限元方法的超声疲劳试样设计流程6.2 试样的形状和尺寸6.21 试样要求试验所用同一批试样应具有相同的形状、尺寸和表面状态。试样类型包括等截面圆形试样、漏斗形试样和板状试样。

10、6.22 2等IK面圆形试样等截面圆形试样为中间含光滑平行段的圆形截面试样，如图3所示。等截面圆形试样有一段等截面工作段，适用于含明显缺陷（如夹杂、缩孔）的金属材料，此外，还可应用于表面处理工艺对疲劳性能的影响研究。单位为亳米注：垂直度要求适用于对中的夹持部分。图3等截面圆形试样6.23 3漏斗形试样漏斗形试样如图4所示。等截面圆形试样和漏斗形试样统称圆形试样，推荐圆形试样的几何尺寸如表2所示.注1:等截面圆形试样或等截面板状试样在等截面区域近似承受等应力，而漏斗形试样在最小横截面附近的小体积区域受力。因此，产生的疲劳结果可能不代表大块材料的响应，见参考文献3,特别是在超高周疲劳状态下，夹杂物

11、控制高硬度金属的行为，裂纹萌生从试样表面转到内部或次表面，见参考文献4。由于漏斗形试样最大应力体积区域相对较小，其最大的微观不连续可能不在最大应力的平面截面上，得到的结果可能是非保守的，见参考文献5和6。注2:超高强钢或者其他高强度合金一般采用漏斗形试样。单位为亳米一百注：垂直度要求适用于对中的夹持部分。图4漏斗形试样*2圆形试样的尺寸参数尺寸试样端部直径6mmD12mm试样最小直径（不含平行段）或平行段直径2mmWDoW5mm平行段长度1.p22D6.24 4板状试样板状试样如图5所示。坯料厚度为2.5mm6mm时，可使用板状试样。单位为亳米图5板状试样6.3试样的制备6.3.1 一般要求在

12、表征材料固有特性的疲劳试验程序中，试样的制备应遵循以下规则。如果试验是为了确定与这些不符合的规定因素（如表面处理、氧化等）的影响，允许有一些偏离。任何情况下，这些偏离应在试验报告中注明。6.3.2 取样和试样标识取样时应了解取样部位的全部信息，并在试验报告中附上取样图，并宜清晰地标明：一一每件试样的取样位置；一一样坯的特征方向（如轧制、挤压方向等）；每件试样的标识符。试验前，应标记试样。标识符可标记在不影响试验结果的表面上（例如试样的端部）。6.3.3 试样加工程序宜选择合适的机加工程序（特别是在最后的抛光阶段前）以减小残余应力。硬质材料宜选用磨削加工方式，而非车削或铳削加工。试验加工程序应符

13、合以下要求：磨削：从离最终直径的0.1mm开始，每次进刀量不超过0.005mm。抛光：用逐次变细的砂纸处理掉最后的0.025mmo宜沿试样轴向进行最后的抛光。注：选择的加工程序可能会在试样表面产生残余应力，从而影响试验结果。这些残余应力可能是在机加工阶段的热梯度、材料的变形或微观结构的变化引起的。在高温试验时，产生的残余应力可能部分或者全部释放，因此残余应力的影响很小。材料微观结构的改变可能是由于温度升高和机加工中的应变硬化所导致，可是组织中相的改变，更多的情况是样品表面发生再结晶。由于试验的材料不再是初始状态，上述微观结构改变将直接导致试验结果无效。因此，宜采取一切预防措施以避免这种风险。部

14、分元素和化合物会使特定材料的力学性能下降，例如氯和氢对钢和钛合金的影响。因此，在使用的原料（切削液、清洁液如醇、酸性化合物等）中宜避免包含这些元素。建议在存储试样前进行清洗和脱脂处理。6.3.4 试样的表面状态试样的表面状态对试验结果有影响。这类影响一般都和以下一个或者多个因素相关：试样的表面粗糙度；一一残余应力的存在；一一材料微观结构改变；杂质的引入。以下建议可让上述影响减至最小：一超声疲劳试样工作段表面粗糙度宜不大于Ra0.2m,其他位置表面粗糙度宜不大于Ra0.4m;试样精加工后，宜采用酒精或丙酮溶液进行清洗、妥善保存，防止试样表面损伤或者腐蚀；圆形试样的最后工序宜消除在车削工序中产生的圆周方向上划痕。特别建议在磨削之后进行纵向的抛光，抛光后再进行低倍（大约20倍）检查，试样工作段内不应有圆周方向的划痕。如果试样在粗加工后要进行热处理，宜在热处理后进行最终的抛光处理。否则热处理宜在真空或惰性气体中进行，防止试样氧化。热处理不应改变材料的微观结构特性。热处理条件和加工程序应在试验报告中记录。6.3.5 尺寸检查宜在最终机加工阶段用不改变试样表面状态的测量方法完成尺寸的测量，保证超声疲劳试样加工尺寸与设计尺寸一致。6.3.6 试样的保存制备好的试样宜妥善保存以避免任何损伤（接触划痕、氧化等）。宜采用独立的包装盒或带封头的管保存试样。在某些情况下，