T/CSTM 00831-2023 金属材料 十字形面内双轴疲劳试验方法

ICS77.040.10

CCSH22

团体标准

T/CSTM00831—2023

金属材料十字形面内双轴疲劳试验方法

Metallicmaterials—Testingmethodforin-planecruciformbiaxialfatigue

2023-07-21发布2023-10-21实施

中关村材料试验技术联盟发布

T/CSTM00831—2023

目次

前言....................................................................................................................................................................3

引言....................................................................................................................................................................4

1范围................................................................................................................................................................5

2规范性引用文件............................................................................................................................................5

3术语和定义....................................................................................................................................................5

4符号和说明....................................................................................................................................................6

5试验原理........................................................................................................................................................8

6仪器和设备....................................................................................................................................................8

6.1一般要求.................................................................................................................................................8

6.2试验机.....................................................................................................................................................8

6.3应变传感器............................................................................................................................................11

6.4加热与温度测量系统...........................................................................................................................12

6.5数据采集系统.......................................................................................................................................13

7试样..............................................................................................................................................................13

7.1几何尺寸...............................................................................................................................................13

7.2试样的制备...........................................................................................................................................17

8试验程序......................................................................................................................................................18

8.1试验环境...............................................................................................................................................18

8.2检查和校准...........................................................................................................................................18

8.3试样安装...............................................................................................................................................18

8.4控制模式...............................................................................................................................................19

8.5控制波形...............................................................................................................................................19

8.6加载相位...............................................................................................................................................19

8.7试验开始................................................................................................................................................20

8.8监测试验...............................................................................................................................................20

8.9数据记录...............................................................................................................................................20

8.10试验停止.............................................................................................................................................21

8.11试样失效判定.....................................................................................................................................21

9数据的处理与分析......................................................................................................................................22

9.1弹塑性载荷条件下两轴向的应力-应变关系曲线..............................................................................21

9.2两轴向等效应力/应变幅值与疲劳寿命的关系..................................................................................21

9.3裂纹扩展速率与能量释放率的关系...................................................................................................21

10试验报告....................................................................................................................................................22

附录A(资料性)双轴试验机的类型和主要形式.....................................................................................23

附录B（资料性）基于有限元分析的十字形试样改进案例......................................................................23

附录C（规范性）推荐的十字型试样尺寸.................................................................................................23

附录D（资料性）不同相位差下的加载路径.............................................................................................23

1

T/CSTM00831—2023

附录E(资料性)数据处理公式....................................................................................................................32

附录F(资料性)起草单位和主要起草人....................................................................................................35

参考文献..........................................................................................................................................................36

2

T/CSTM00831—2023

前言

本文件参照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》，GB/T

20001.4《标准编写规则第4部分：试验方法标准》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。

本文件由中国材料与试验标准化委员会钢铁材料标准化领域委员会（CSTM/FC01）提出。

本文件由中国材料与试验标准化委员会钢铁材料标准化领域委员会（CSTM/FC01）归口。

3

T/CSTM00831—2023

引言

金属板材在实际服役条件下会受到平面多轴疲劳载荷的作用，在多轴载荷的作用下金属板材常产生

非比例附加强化效应并导致疲劳寿命缩短。由于单轴试验简单且成本低，目前对工程构件的疲劳寿命评

价大多基于单轴试验数据，但是将材料特性的评估局限于单轴测试可能会导致对工程结构中材料行为的

描述出现偏差。因此在一些工业领域（如核电、航空、化工等），研究金属板材的多轴疲劳性能对工程

技术的发展和应用十分重要。

十字形面内双轴疲劳试验具有应变场均匀可测，不同加载轴之间的应力比、应变率、相位差等参量

均易于控制调节等优点，已成为研究金属平板多轴力学性能的一种常用方法，被广泛用于平面双轴载荷

下平板材料的低周、高周疲劳试验。

4

T/CSTM00831—2023

金属材料十字形面内双轴疲劳试验方法

重要提示：使用本文件的人员应有正规实验室工作的实践经验。本文件并未指出所有可能的安全问

题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法规规定的条件。

1范围

本文件规定了金属材料十字形面内双轴疲劳试验方法的术语和定义、符号和说明、试验原理、试验

设备、试样、试验程序、试验结果表达及试验报告等。

本文件适用于金属材料在室温或高温下采用十字形试样在各加载轴施加幅值恒定的加载波形，以实

现比例或非比例加载路径以及路径变换的双轴疲劳试验。

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，标注日期的引用文

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/T6398金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法

GB/T12160金属材料单轴试验用引伸计系统的标定

GB/T13992金属粘贴式电阻应变计

GB/T16825.1静力单轴试验机的检验第1部分：拉力和（或）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/T31054机械产品计算机辅助工程有限元数值计算术语

GB/T33582机械产品结构有限元力学分析通用规则

GB/T34104金属材料试验机加载同轴度的检验

GB/T36024金属材料薄板和薄带十字形试样双向拉伸试验方法

GB/T38719金属材料管测定双轴应力-应变曲线的液压胀形试验方法

GB/Z40387金属材料多轴疲劳试验设计准则

GB/T40410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

JJG141工作用贵金属热电偶检定规程

JJG556轴向加力疲劳试验机检定规程

3术语和定义

GB/T36024、GB/T38719和GB/Z40387界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

双轴疲劳试验biaxialfatiguetest

5

T/CSTM00831—2023

十字形试样在加载过程中两个轴向施加的应力或应变载荷随时间有规律变化的疲劳试验。

3.2

双轴拉伸试验biaxialtensiletesting

采用十字形试样并在两轴向同时施加速率恒定的单调应力或应变载荷的拉伸试验。

3.3

比例加载proportionalloading

在相同频率下，两轴向的加载波形之间相位差为零的加载方式。

3.4

非比例加载non-proportionalloading

在相同频率下，两轴向的加载波形之间存在相位差的加载方式。

注：在非比例加载中主应力或主应变的方向会随时间的改变而发生变化。

3.5

加载路径loadingpath

对试样施加的载荷在应力或应变空间中的轨迹。

3.6

原位加载in-situloading

在任何加载模式和变形阶段下，试样的中心位置均保持不变的加载方式。

3.7

屈服强度yieldstress

双轴拉伸试验中先发生屈服的加载轴向上的屈服应力。

3.8

多轴疲劳性能multiaxialfatigueproperty

十字形试样测量区域在多轴比例或非比例加载下失效之前所经历的循环周数。

4符号和说明

表1给出的符号和说明适用于本文件。

表1符号和说明

6

T/CSTM00831—2023

符号说明单位

a裂纹长度mm

an预制裂纹缺口的长度mm

ap预制裂纹的长度mm

b疲劳强度指数-

c疲劳延性指数-

C材料系数-

d宽度方向上的螺栓孔中心间距mm

e螺栓孔中心与拉伸臂的间距mm

exx轴向的工程应变-

eyy轴向的工程应变-

E等效应力-应变曲线的弹性模量GPa

Exx轴向的弹性模量GPa

Eyy轴向的弹性模量GPa

f螺栓孔直径mm

fc减薄区中心小孔直径mm

Fxx轴向施加的载荷N

Fyy轴向施加的载荷N

G能量释放率-

h预制裂纹缺口的宽度mm

H试样总长度mm

i测量区域厚度mm

I试样厚度mm

KⅠⅠ型裂纹的应力强度因子-

KⅡⅡ型裂纹的应力强度因子-

l拉伸臂宽度mm

l0特征长度mm

L开缝长度mm

Lx测量区域x方向的边长mm

Ly测量区域y方向的边长mm

m材料指数-

N开缝条数-

Nf失效时的循环数（疲劳寿命）-

Ox测量区域外圆角圆心距x方向中心线距离mm

Oy测量区域外圆角圆心距y方向中心线距离mm

P长度方向上的螺栓孔中心间距mm

rs每条开缝顶部的圆角半径mm

R测量区域外圆角半径mm

Re测量区域过渡圆弧半径mm

Ri测量区域内圆角半径mm

Sxx轴向的工程应力MPa

Syy轴向的工程应力MPa

7

T/CSTM00831—2023

sx面内检测传感器x方向的应变读数-

sy面内检测传感器y方向的应变读数-

t开缝顶部与减薄区的距离mm

T加载波形的周期-

w每条开缝中心线之间的距离mm

we拉伸臂边缘与最外侧开缝中心线之间的距离mm

ws开缝宽度mm

W夹持端长度mm

εeq等效应变-

εxx轴向的真应变-

εyy轴向的真应变-

εxpx轴向的真塑性应变-

εypy轴向的真塑性应变-