ICS 49.025.01 V 10
HB 8698-2023
金属材料开孔细节疲劳额定
强度基准值测定方法
Testing method for open hole details base value of metallic
materials detail fatigue rating
2023-12-29 发布 2024-07-01 实施
中华人民共和国工业和信息化部发布
前言
本文件按 GB/T 1.1-2020《标准化工作导则第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件由中国航空综合技术研究所归口。
本文件起草单位：中国航发北京航空材料研究院。
本文件主要起草人：胡本润、陈勃、马少俊、叶序彬、童第华、张丽娜、高倩倩、黄颐、赵晓辰。
金属材料开孔细节疲劳额定强度基准值测定方法
1 范围
本文件规定了测定金属材料开孔细节疲劳额定强度基准值的试样、试验装置、试验程序、试验数据处理和试验报告。
本文件适用于测定金属材料室温下开孔细节疲劳额定强度基准值。
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/T 10623 金属材料力学性能试验术语
JJG 556 轴向加力疲劳试验机检定规程
3 术语和定义、符号
3.1 术语和定义
GB/T 10623 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1.1
细节疲劳额定强度 detail fatigue rating (DFR)
结构细节本身固有的疲劳性能特征值，是一种对构件质量和耐重复载荷能力的度量，与使用载荷无关。该值是当应力比 R=0.06 时，具有 95%可靠度和 95%置信度的结构细节疲劳寿命能够达到 105 次的最大应力。
3.1.2
细节疲劳额定强度基准值 base value of detail fatigue rating (DFRbase)
规定的典型结构对应的最基本的细节疲劳额定值，是计算具有数百个相似细节结构件允许使用的最小 DFR 值。
3.1.3
开孔细节 detail of open hole
含孔结构的加工细节。
3.2 符号
本文件采用的符号、名称及单位见表 1。
表 1 符号、名称及单位
4 试样
4.1 试样形式
推荐采用如图 1 所示含有双孔细节的试样，试样的毛截面应力集中系数 Ktg=3.1。试样的孔径、制孔工艺、强化工艺和试样平板表面的粗糙度应根据试验目的进行选择。双孔试样两孔的中心距离宜不小于 10D。推荐试样的夹持段长度为 30mm～50mm，夹持面受力均匀，孔中心距离夹持端的长度大于 10D，推荐的双孔、单孔试样尺寸见表 2、表 3。对缺口较为敏感的材料也可适当增加夹持段宽度，以避免试样在夹持段断裂。试样夹持段与工作段切向过渡圆弧半径应至少大于 1.5W，以避免在过渡段产生应力集中。试样厚度可根据试验需求选择。对于使用原始板材厚度的试样， 试样表面的平行度和平面度可不做要求。
单位：mm
a) 双孔细节疲劳试样
b) 单孔细节疲劳试样
图 1 开孔细节疲劳试样
表 2 推荐双孔试样尺寸
单位：mm
表 3 推荐单孔试样尺寸
单位：mm
4.2 试样制备
4.2.1 试样切取应符合相关标准规定或根据试验目的进行切取。取样时应详细记录取样位置、取样方向、并对试样进行编号等。试样的取样方向标记方法见图 2。
L
图 2 试样取样方向示意图
4.2.2 试样的制备工艺应能代表实际结构的孔细节，一般常用的制孔工艺包括：钻孔、铰孔、孔边倒角或不倒角，还可采用强化工艺对孔进行处理，如挤压强化等。试样表面的制备工艺还应代表实际结构孔细节周围的情况，如满足一定的粗糙度要求、表面进行防护处理、喷丸强化等。试样的加工程序应在报告中注明。附录 A 给出了钻孔细节试样的加工程序示例。
4.2.3 试样加工过程中应避免产生残余应力，应采用逐步减小加工余量的加工工序，尤其是在试样的最终加工阶段。试样的两个表面要求对称加工直至达到最终厚度，最后一道工序的加工量每面不大于0.125mm。孔最后一道工序的加工量不大于最终孔径的 6%，严格控制最后一道孔加工过程中的工艺参数，如使用的刀具(钻头、铰刀、铣刀等)、加工设备的进给量和转速，应与实际构件的制孔工艺一致。
4.2.4 试样表面加工应保证平面度和上、下表面的平行度。对于钛合金和钢等硬度较高的材料，当粗糙度要求较高时推荐使用研磨加工方式。加工完成后应无垂直于加载方向的划痕。加工过程不允许产生冷作硬化或过热。对薄板材料试样表面可以不加工， 试样表面的平面度和平行度不做要求，但试样不应有明显翘曲，试验报告中应说明试样表面状态。
4.2.5 一般应在热处理后进行试样最终的成形加工。热处理制度应在试验报告中注明。
4.2.6 目视观察试样，试样不应有孔边划痕、凿痕、凹坑等。
5 试验装置
推荐采用液压伺服疲劳试验机开展试验。试验机应按 JJG 556 的要求定期检定，静态载荷误差控制在±1%以内，动态载荷误差控制在±2%以内，同轴度控制在±5%以内。
6 试验程序
6.1 试样检查与尺寸测量
6.1.1 去除试样表面油污，检查试样测试部位是否有意外损伤。
6.1.2 在孔心垂直于加载轴线的最小净截面处测量试样的厚度 T 与毛截面宽度 W。有多个开孔细节时应分别进行测量，取其平均值作为试样的厚度与宽度。厚度 T 的测量精度不低于 0.01mm，宽度 W 的测量精度不低于 0.02mm。
6.2 试样安装
试样安装应保证加载力均匀分布在试样横截面上。
6.3 试验波形与频率
试验波形为 R=0.06 正弦波，频率不超过 50Hz。
6.4 试验载荷的选取
6.4.1 选择最大应力水平进行一组试样的疲劳试验，其疲劳寿命宜在(1.5×105～4×105)次范围内，由于不同材料的疲劳寿命分散性不同，试验时应根据材料特性确定试验应力。对于疲劳寿命分散大的金属材料，疲劳寿命范围可适当放宽。一组有效试样一般不少于 5 件。
6.4.2 按试样的毛截面宽度 W 和公式(1)计算试验载荷：
Pmax = σmax × W ×T……………………………………………(1)
6.5 失效判据
6.5.1 连续试验直至试样完全断裂或达到指定的循环周次。指定的循环周次可根据试验需要设定，建议为 5×105 次。试样断裂未发生在含孔截面或试样断口有明显冶金缺陷或其他缺陷则试验数据无效。
6.5.2 其他形式如孔边裂纹达到一定尺寸也可判为失效，但在报告中应注明失效判据。
7 试验数据处理
7.1 特征寿命 β
按公式(2)、公式(3)对试验数据进行处理，计算特征寿命。
所有 n 个试样全部破坏时， β 按公式(2)计算：
………………………………………………(2)
式中：
α ——威布尔分布的形状参数，取值见表 4。
所有 n 个试样中 k 个破坏时(其余试样达到指定寿命 N 停止试验)， β 按公式(3)计算：
………………………………………………(3)
表 4 形状参数α 取值表
7.2 可靠度 R=95%、置信度 C=95%的寿命 N95/95
按公式(4)计算可靠度 R=95%、置信度 C=95%的寿命 N95/95：
N
式中：
ST ——试样系数，ST=1.3;
SR ——可靠度系数，取值见表 5;
Sc ——置信度系数，根据试样包含的孔细节数按表 6 或表 7 取值。
表 5 可靠性系数 SR 取值表
表 6 单细节(含一个孔)试样置信度系数 Sc 取值表
表 7 双细节(含两个孔)试样置信度系数 Sc 取值表
7.3 DFRbase 值的计算
将 N95/95 带入公式(5)计算 DFR 值，由公式(6)计算开孔细节的 DFRbase 值：
0.94σm0/ σmax S5_lg N95/95 _(0.47S5_lg N95/95 _ 0.53)_(0.0282S5_lg N95/95 + 0.0318)式中：
σm0、S 的取值见表 8。
DFRbase =DFR/RC……………………………………………(6)
式中：
RC 的取值与试样中包含的细节数有关，试样包含的细节数不大于 4 时，RC 取值见表 9。
表 8 σm0 和 S 取值表
表 9 RC 取值表
8 试验报告
试验报告一般包括以下内容：
a) 材料牌号、生产厂家、炉批号、品种、规格、热处理制度或状态等;
b) 试样编号、取样方向、取样位置、尺寸和表面状况等;
c) 试验机型号、试验频率、载荷大小、应力比、加载方式;
d) 试验过程中不符合本标准的任何情况;
e) 试样异常断裂时注明断裂位置;
f) 数据处理时剔除的数据及原因;
g) 试验数据及处理结果;
h) 试验日期、温度、湿度、人员。
附录 A
(资料性)
试样加工程序示例
A.1 概述
本附录是某一铝合金试样开孔细节采用钻孔工艺的加工程序示例。
A.2 加工程序
A.2.1 试样表面对称铣削，每面最后一道切削留有 0.125mm 加工余量。
A.2.2 试样表面分 2 次铣削至最终尺寸，铣刀直径建议 60mm～90mm，铣刀进给量 0.02mm/齿，切削速度 400m/min，试样表面粗糙度 Ra 值达到 0.8μm。
A.2.3 钻孔时试样堆叠加工不大于 4 件;试样钻孔时有上下背板支承。
A.2.4 分 2 次或 3 次完成钻孔;最后一道扩孔量小于 0.3mm。
A.2.5 钻孔时最大额定电机主轴转速小于 500r/min，钻头的进给量在 0.04mm/r～0.15mm/r 范围内。 A.2.6 钻孔后为防止划伤要缓慢地从孔中逆时针退出钻头。钻孔过程中不允许停钻， 电机开关全程接通。
A.2.7 孔边倒角，倒角量为板厚的 5%，倒角需使用专门的倒角工具，不能使用砂纸和研磨膏。
