ICS77.040.10 CCs H 22
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T41154—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
Metallic materials-Multiaxial fatigue testing-
Axial-torsional strain-controlled thermo-mechanical fatigue testing method
2021-12-31发布
2022-07-01实施
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会 发布 GB/T41154—2021
目 次
前言
III
范围规范性引用文件术语和定义符号和说明
1
2
3
4
5 试验装置 6 试样
试验程序 8 试验结果· 9 试验报告附录A（资料性） 材料常数测定参考文献
7
14 15
16
17 GB/T 41154—2021
前言
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则 厂第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（SAC/TC183)归口。 本文件起草单位：北京工业大学、冶金工业信息标准研究院、中航工业沈阳飞机设计研究所、中国航
发北京航空材料研究院、中国航发商用航空发动机有限公司、中机试验装备股份有限公司、深圳万测试验设备有限公司、上海海洋高端装备功能型平台有限公司，
本文件主要起草人：尚德广、李道航、董莉、李芳代、左林玄、曲林锋、刘建中、陈勃、张成成、杨秀光、 黄星、周路海、孙鹏、汪宏斌、侯慧宁。
II GB/T41154—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
1范围
本文件规定了轴向-扭转应变控制下金属材料多轴热机械疲劳试验的试验装置、试样、试验程序、试
验结果和试验报告
本文件适用于金属薄壁管试样在恒定轴向机械应变循环、恒定剪切应变循环和恒定温度循环条件
下，对应任意恒定的循环应变比、恒定的轴向机械应变-剪切应变相位差和恒定的轴向机械应变-温度相位差的试验。
注1：循环周次通常考虑低周疲劳的范畴，即疲劳寿命N≤10°。 注2：试验的温度一般不超过1200℃。
规范性引用文件
2
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 228.1 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法 GB/T 228.2 金属材料 拉伸试验第2部分：高温试验方法 GB/T 6394 金属平均晶粒度测定方法 GB/T 7314 金属材料 室温压缩试验方法 GB/T 10623 金属材料 力学性能试验术语 GB/T 12443 金属材料 扭矩控制疲劳试验方法 GB/T16825.1 静力单轴试验机的检验第1部分：拉力和（或）压力试验机测力系统的检验与
校准
GB/T25917.1 单轴疲劳试验系统 第1部分：动态力校准 GB/T33812 金属材料疲劳试验 应变控制热机械疲劳试验方法 GB/T 40410 金属材料 多轴疲劳试验轴向-扭转应变控制方法 JJF1637 廉金属热电偶校准规范 JJG 141 工作用贵金属热电偶 JJG 269 扭转试验机 JJG 556 轴向加力疲劳试验机 JJG 617 数字温度指示调节仪 JJG 762 引伸计
术语和定义
3
GB/T10623、GB/T33812和GB/T40410界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
1 GB/T41154—2021
3.1
轴向-扭转热机械疲劳axial-torsionalthermo-mechanicalfatigue；AT-TMF 同时存在轴向机械应变循环、剪切应变循环和温度循环的疲劳行为。
3.2
轴向应力 axial stress a 按室温下原始横截面积计算的轴向方向上的应力分量。 注：圆管试样的轴向应力与轴向力的关系见公式(1)：
4F π(d。2d,)
...(1)
d :
3.3
轴向应变 axial strain E 引伸计标距长度的变化量△L，与引伸计标距长度L，的比值。 注：用公式（2)计算：
= AL,/L
(2 )
3.4
轴向热应变 axial thermal strain E tb 由于温度变化产生的自由膨胀所对应的轴向应变（3.3）。
3.5
轴向机械应变 axial mechanical strain Em 独立于温度，并与试样上施加的轴向力有关的轴向应变（3.3）。
3.6
轴向总应变 axial total strain tot 轴向机械应变（3.5)和轴向热应变（3.4)的代数和。 注：用公式(3)计算：
Etot = Em Eth
(3)
3.7
同相位inphase 在相同频率下，轴向机械应变循环与温度循环相位差为0°的相位关系，或轴向机械应变循环与剪
切应变循环相位差为0°的相位关系。 3.8
非同相位 outofphase 在相同频率下，轴向机械应变循环与温度循环相位差不为0°的相位关系，或轴向机械应变循环与
剪切应变循环相位差不为0°的相位关系。
4符号和说明
表1中的符号适用于本文件。
2 GB/T41154—2021
表1 符号、说明和单位
符号 de d. d. E F G L LG LGT Le AL: L. M N: 2N N R Ra T + V w m Eth Aetb E 1o 6 H 注：本文件使用上述符号时所带下脚标含义如下：
说明试样夹持端外径试样标距段内径试样标距段外径弹性模量轴向力、载荷剪切模量试样全长试样夹持端长度夹持端和过渡段总长度引伸计标距长度引伸计标距长度的变化量试样中间平直段的长度
单位 mm mm mm MPa N MPa mm mm mm mm mm mm N·m 周，cycle 反复数周，cycle mm μm ℃ mm mm/mm,% mm/mm,% mm/mm,% mm/mm,% mm/mm,% mm/mm,%
扭矩失效循环数失效反复数循环数过渡弧段半径表面粗糙度
温度
试样引伸计标距段的壁厚
剪切应变轴向应变轴向机械应变轴向热应变轴向热应变范围轴向总应变轴向应力剪切应力
MPa MPa
tot 总（total)，th—— 热(thermal),m—- 机械（mechanical），0 外（outside)，i 内（inside)
3 GB/T41154—2021
5试验装置
5.1试验机 5.1.1一般要求 5.1.1.1试验应在平稳起动且力和扭矩过零时无反向间隙的轴向-扭转试验机上进行。试验机应能按照指定的波形控制轴向应变和剪切应变，可以是液压、电子或机械加载的 5.1.1.2横梁处于工作位且加载链准确对中（平行和同心)时，载荷机架应有较高的侧向刚度。 5.1.1.3整个加载链（包括轴向力传感器、扭矩传感器、拉杆/夹具和试样）应有较高的侧向刚度以减小试样的弯曲。 5.1.2轴向力、扭矩测量系统 5.1.2.13 轴向力传感器应适合于试验过程中施加的轴向力，扭矩传感器应适合于试验过程中施加的扭矩。 5.1.2.2轴向力传感器、扭矩传感器应能够进行温度补偿，且温度每变化1℃，零点漂移或温度敏感度的变化应不超过传感器满量程的0.002%。 5.1.3试样夹持装置 5.1.3.1夹持装置在试验过程中传递循环轴向力值和扭矩值给试样时应没有反向间隙，其几何特性应能确保同轴度满足5.1.4的要求。
注：最好的设计方案是尽量将机械连接数降到最小 5.1.3.2夹持装置应确保一系列后续试样同轴度的重复性 5.1.3.3夹持装置的材料应选择在整个试验条件范围都能够正常工作的材料。 5.1.4加载链的同轴度
对试验机架（包括夹具）应使用一个试样进行同轴度校正，该试样的几何形状宜尽可能与试验中带
轴向-扭转引伸计的试样相似。允许的最大试验机弯曲应变不大于零载时50微轴向应变或所加轴向机械应变的5%，二者取较大者。上述校正应于每12个月或者有下列情形时进行：
作为新机服役检测的一部分； b）试样的事故性破坏之后，除非能说明同轴度不受影响1 c）对加载链做了任何调整。
a）
5.2应变测量系统 5.2.1应使用轴向-扭转引伸计测量试样的轴向应变和剪切应变。 5.2.2轴向-扭转引伸计应适合于长试验周期下测量动态应变量，并且有最小的漂移、滑动或仪器的滞后。应直接测量试样标距长度的轴向变形量和扭转变形量。 5.2.3轴向-扭转引伸计的传感器应防止由于热波动引起的漂移 5.2.4鉴于轴向-扭转热机械疲劳试验温度的瞬时特性，宜对轴向-扭转引伸计实行主动冷却，保证试验过程中轴向-扭转引伸计的传感器部分保持恒温 5.2.5接触式轴向-扭转引伸计的动态设计应保证在与其接触的试样区域发生侧向或角度移动时，轴向-扭转引伸计接触点或刀口处不发生滑动。 5.2.6轴向-扭转引伸计的接触压力和操作时的力不应损伤试样表面，并不应与轴向-扭转引伸计接触
4 GB/T41154—2021
或力口部位引起裂纹的萌生。
5.3加热系统
5.3.1加热系统应能提供系列轴向-扭转热机械疲劳试验的最大加热和冷却速率。 5.3.2为了减小直接感应加热系统产生的试样径向温度梯度，宜选择频率足够低的加热装置（一般在几百千赫兹范围或更低）。这将有助于减小加热过程中的趋肤效应。 5.3.3试验过程中应使用热电偶、高温计、红外测温装置或其他温度测量装置测量试样温度。 5.3.4对于热电偶，应保证其与试样的直接接触，并且不会在触点处发生失效
注：常用的附着方法是在标距外点焊或捆绑和压套的方法将热电偶固定在试样表面上。 5.3.5如果用光学高温计测量标距部分的温度，应采取措施标定出试验持续过程中试样热辐射可能的变化。可行的方法包括双色高温计和试样表面预氧化处理 5.4试验监控仪器 5.4.1宜采用能进行数字采集和处理轴向力、扭矩、轴向变形、扭转变形、温度和循环数据的自动化系统。数据点的采样频率应能确保迟滞回线尤其是反转区域的正确表征。不同的数据采集方法将会影响每一回线所需的数据点数。一般每一回线需要200点。 5.4.2也可选择其他能够测量相同数据的模拟系统，但应包括：
一两个X-Y-Y记录仪，一个用于记录轴向力、轴向变形和温度的迟滞回线，另一个用于记录扭
矩、扭转变形和温度的迟滞回线；一一个连续记录仪，用于记录几个与时间相关的参数：轴向力、轴向变形、扭矩、扭转变形和温度；一每一信号的峰值检测装置；一循环计数器等。
5.4.3记录仪可用能以照片或模拟形式重现记录信号的存储装置取代。这些装置记录信号的速率应大于记录仪的最大转动速率，并且允许暂存的记录随后以较慢的速率回放。 5.5检查和校准 5.5.1试验机和其控制及测量系统应定期进行检查。特别是以下每一个传感器和其相关的电器应作为一个单元校准：
轴向力测量系统应按照GB/T16825.1和GB/T25917.1或JJG556进行校准，其准确度应为 1级或优于1级；扭矩测量系统应满足GB/T12443要求并按照JJG269进行校准，其准确度应为1级或优于 1级；
一温度测量系统应按照JJG617进行校准； ——热电偶应按照JJG141或JJF1637进行校准； -一引伸计应按照JJG762进行校准，其准确度应为1级或优于1级
5.5.2每系列试验之前应检查轴向-扭转引伸计的原始标距，应利用分流电阻或其他合适的方法对轴向力传感器、扭矩传感器和轴向-扭转引伸计进行确认，并且对热电偶或高温计确认。
6试样
6.1一般要求
本文件以圆形截面的薄壁管为试样进行试验。为了避免循环载荷下的不稳定性，试样标距段的壁厚应满足平均直径与壁厚的比值大于或等于10：1的薄壁管准则。对于多晶体材料，应保证壁厚部分
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