ICS 49.025.01 V 10
HB 8699-2023
金属材料细节疲劳粗糙度系数测定方法
Testing method for surface roughness coefficient of metallic materials details
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、赵晓辰、黄颐。
金属材料细节疲劳粗糙度系数测定方法
1 范围
本文件规定了测定金属材料细节疲劳粗糙度系数的试样、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无紧固件应力集中细节的疲劳粗糙度系数。
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
结构细节疲劳粗糙度系数 surface roughness coefficient of detail fatigue rating
给定工艺和表面状况下无紧固件应力集中细节(如缺口和圆角)的 DFR 试验值与基准 DFR 值的比值。铝合金、钛合金和钢的基准 DFR 值为厚度 26mm 以下 2024 板材基准粗糙度试样(机加缺口，粗糙度 Ra=3.2，不喷丸)的 DFR 试验值乘以相应的材料常数 K。获取粗糙度系数的试样构型(缺口应力集中系数和细节数量)应与 2024 板材基准粗糙度试样保持一致。
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
获取粗糙度系数的试样构型(缺口应力集中系数和细节数量)应与 2024 板材基准粗糙度试样保持一致。推荐如图 1 所示包含 2 个缺口应力集中细节的试样，其缺口根部的净截面应力集中系数 Ktn=2.6。试样工作段表面的粗糙度按试验需求选取，推荐试样的夹持段长度为 30mm～50mm，以保证试样受力均匀。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的半径应至少大于 1.5 倍的试样宽度，以避免在过渡段产生应力集中。也可采用其他应力集中系数的试样，但应保持与基准粗糙度试样的构型一致。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
图 1 推荐粗糙度系数试样
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。
图 2 试样取样方向示意图
4.2.2 试样缺口的制备工艺应能代表不同加工方式的粗糙度水平，一般常用的粗糙度 Ra 值为 0.8μm、 1.6μm、3.2μm，还可采用强化、化铣等工艺对缺口进行加工。试样的加工方式(如：机加 Ra=1.6μm、化铣、喷丸等)应在报告中注明。附录 A 给出了铝合金试样采用机加缺口、粗糙度 Ra=0.8μm 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，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。缺口处最后一道工序的加工量不大于 0.1mm。如采用化铣、喷丸等工艺一般安排在最后一道加工工序。
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 在缺口根部垂直于加载轴线的最小截面处测量试样的厚度 T 与净截面宽度 W。厚度 T 的测量精度不低于 0.01mm，净截面宽度 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 的正弦波，频率不超过 50Hz。
6.4 试验载荷的选取
6.4.1 选择一个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)次区间，由于不同金属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 按试样的净截面宽度 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，推荐为 5×105 次。试样断裂未发生在含缺口截面或断口有明显冶金缺陷或其他缺陷则试验数据无效。
6.5.2 其他形式如缺口处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)
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)
式中：
α ——威布尔分布的形状参数，取值见表 2。
表 2 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：
式中：
ST ——试样系数，ST=1.3;
SR ——可靠度系数，取值见表 3;
Sc ——置信度系数，取值见表 4。
表 3 可靠性系数 SR 取值表
表 4 置信度系数 Sc 取值表
7.3 F 系数的计算
将 N95/95 代入公式(5)计算 DFR 值：
式中：
σm0、S 取值见表 5。
表 5 σm0 和 S 取值表
粗糙度系数 F 按公式(6)计算：
F = DFR/基准 DFR……………………………………………(6)
铝合金、钛合金和钢的基准 DFR 值为厚度 26mm 以下 2024 板材基准粗糙度试样(机加缺口，粗糙度 Ra=3.2，不喷丸)的 DFR 试验值乘以相应的材料常数 K。K 的取值见表 6。
表 6 材料常数 K 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采用机加缺口，粗糙度 Ra=0.8μm 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 次或 3 次铣削至最终尺寸，铣刀直径建议 60mm～90mm，铣刀的进给量 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 试样堆叠加工不大于 4 件，如需钻孔应有上下背板支承。
A.2.4 分 2 次或 3 完成缺口加工，最后一道加工量小于 0.1mm，缺口表面粗糙度 Ra 值达到 0.8μm。
A.2.5 缺口边倒角，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。
