GB T 2038-1991 金属材料延性断裂韧度JIC试验方法.pdf
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1、中华人民共和国国家标准金属材料延性断裂韧度J,c试验方法Metallic materials-S阻ndardt回tmethod for loc ,a me皿ureof ductile fracture toughne甜1 主题内容与适用范围1. 1 主题内容GB 2038-91 代替GB2038-80 本标准规定了金属材料延性断裂韧度.r试验方法的定义和符号、试验方法提要、试验设备、试样形状和尺寸、试样制备、试验程序、试验结果的处理、试验记录和试验报告。1. 2适用范围1. 2. 1 本方法测定的J值,与裂纹起始扩展时的J值接近,是材料启裂断裂韧度的工程估计值。1. 2. 2 木方法不能用来评
2、价金属材料裂纹扩展阻力的全过程。1. 2. 3本方法测定的J值,可以转换成用的强度因子叫示的当量值(J于础,它只能在以弹性为主的条件下应用。在裂纹顶端以线弹性应力场为主时,该K,值对应于裂纹开始稳态扩展时的断裂韧度值。1. 2. 4 本方法只适用于在试验温度下裂纹能够缓慢稳定扩展,塑韧性好的材料。不适用于尚未测得本方法规定的J.f;.a数据,即已产生快速断裂的材料和延性、韧性极高、抗撕裂能力极好的材料。因为这种材料很难把撕裂扩展与裂纹顶端大范围的钝化区分开。注g高温及低温oc试验,可参照本标准;3号本标准不涉及安全防护问题,当试验用材料对人体有害时,安全防护问题由使用者自行考虑1. 2. 5
3、本方法采用的试样均是深裂纹、弯曲型加载为主的试祥。. 三点弯曲试样(SE(B)丁是单边裂纹梁形试样,跨度与宽度之比S何等于4,初始无量纲裂纹长度ao/IV在0.50.75范围内。b. 紧凑拉伸试样C(T)J用销钉拉伸加载,其平面尺寸比例固定不变,初始无量纲裂纹长度a0/H在o.5 o. 75范围内。c. 拱形兰点弯曲试样ASE(B刀,跨度与宽度之比S/W二泣,初始元量纲裂纹长度。W在o.5 o. 75范围内。注z如果使用其他形状的试样本方法规定的有效性条件不能保证试脸结果的有放性1. 2. s 本方法只适用于准静态慢速加载,且不考虑环境对裂纹扩展阻力的影响。注在准静态慢速加载下,大多数结构材料
4、的J值与加载速率无关但在动态加载或持久应力与腐蚀环境共同作用F,将使冉c值降低,故本方法测定的J,值在工程中应用时,要:11服役条件做全面考虑。2 引用标准GB 416 l 金属材料平面应变断裂韧度K试验方法Gil 10623 金属力学性能试验术语国家技术监督局1991-0622批准19920301实施3 术语和符号3. 1 术语3. 1. 1 J积分(J)GB 2038 91 国绕裂纹前缘从裂纹的一侧表面到另trJ表面的线积分的数学表达式,用以表征裂纹前缘地民的成力应变场。3. 1. 2 表现启裂韧度(.I;)J,曲线1j钝化线交点相应的J值,称为表现启裂韧度。3-1-3 fil性断裂韧lJ
5、(J)按牛二方法规定测定的.Ire值定义为延性断裂韧度。它与裂纹开始扩展时的J值接近,是裂纹开始稳态扩展日才J的T.程估计值。3-1-4 .J,曲线J积分与裂纹扩展最闹的关系曲线即JM曲线。本方法规定按.rc,气ur罪乘关系拟合.I曲线,叭,c,是与材料有关的常数。注,.1,曲线只代表金属材料裂纹扩展阻力曲线的初期阶段而不能代表全过稳。3. 1. 5 有效屈服强度(ify)为考虑、塑性屈服对试验参数的影响而给出的单轴屈服强度的假定值。木方法规定,有效JillM强度川是屈服强度与抗拉强度川的平均值。3. 2 符号B 试样一辱度,mm;B,带侧槽试样的净截丽厚度,mm;凡有效厚度,mm;B,=B
6、(B-B,)/B w 试样宽度,mm;S一一弯曲试梓加载跨距,mm;问一初始裂纹t主度的平均值,mm;裂纹K度的平均值,mm;ca 裂纹扩展最,mm;,:1, 。;一第$次卸载再加载时,用柔度法计算的裂纹长度,mm;Lia, 第a次卸载再加载时,用柔度法计算的裂纹扩展量,mm;b,一一初始韧带尺寸,mm;b0=W-ao b一一剩余w带尺寸,mm;b = W- a 气GB 2038 91 v一一屈服强度(有屈服点时取且,否则取,),MPa; 、一抗拉强度,MPa;o7. 4. 6 疲劳预制裂纹的长度不小于町的5%,日不小-t. 3 mm0 8 试验程序8. 1 载荷、位移测量系统的标定在连续做儿
7、试验之前要对载荷、V.移测量系统进行标足。建议在试验温度下进行这一标志。8.2 试样测量与安装有关试样测量与安装的详细步骤见附录A,B、C,8. 3 多试样法8. 3. 1 将试样形状、尺寸相同初始裂纹长度相近的几个试样加载到预先选定好的不同位移水平,加载jffi率应该使达到0.4凡的时间在o.1 I 0 min之间。8. 3.2 为了更好的控制卸载点,应按下述步骤进行试验。8.3.2.1 第一个试样应加载到Pt曲线达到最大载荷并刚刚开始下降时卸载。根据记泌的P1曲线,估计以后各试祥加载终止的位移量。s.3.2.2 将试样卸载,并用热着色或二次疲劳法勾出裂纹前缘。对于制和铁合金可在300(或其
8、他温度F热着色10min,I其他材料可采用次疲劳方法,最大疲劳载荷不得超过倒载点载荷的90%s.3.2.3 将试样压断,显示裂纹前缘,为避免压断试样时裂纹扩展区的形貌产生畸变,宜将铁京体制试样冷却要lj能产生院断的温度,或将二次疲劳裂纹做得长些,再压断试样。断日上平坦的预裂坟前缘是裂纹稳定扩展的起点,热着色的终点或十二次疲劳的起始位置为裂纹扩展的终了位匠。8.3.2.4 沿着裂纹前缘和标记出的裂纹慢稳扩展区的前缘,按图6所示,在等问隔的九点上测量裂坟尺寸a,(i二1,2,:l的。视1仪器的精度应不低于0.025 tum 0按下述步骤计算裂纹长度a. 将靠近表面的两个测量结果取平均值。b. 再求
9、出它与其余测量结果的于均值即投F式计算。和a,土(且旦旦主叫8 I 2 , I 川.( :1 ) “专(咛旦十三叫) 4 ( . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2.5计算裂纹扩展最气,1的,mm,8. 3. 2. 6 确定下个试样加载的位移值,以便获得合适的裂纹扩展量。重复上述步骤在豆得到四个或更多个满足木方法9.3规定的合格数据点为止。?九二GB 2 0 3 8 91 S量风S町00。B 。. 巴咱o可巳ze 。倒糟、注目。标记的型纹扩展E前缘疲劳裂纹前缘机加L缺口前缘, , / / / / . 。呐 主呈 因。主出8 B
10、, c B 凡en.O.OllV)/8 (的带侧槽试佯此(HO.O!W)/8 (的无侧槽试祥裂纹长度的测量囹68.4单试样法8. 4, 1 单试样法用一个试样,根据卸载再加载过程中弹性柔度的变化,或用其他方法得到J.曲线。建议采用三个试样。s. 4. 2 加裁试样,加载速率应使达到o.4凡的时间在o.1 10 min范围内。卸载再加载的速率应该低,以能准确估计裂纹长度为准。s. 4. 3 每个试样按下述步骤进行试验。3.4.3.1 根据初始弹性柔度估计初始裂纹长度,此时,最大载荷应控制在o.1 o. 1 I,范围内。8.4. 3.2 为估计初始裂纹长度a,柔度测量至少要重复三次。向的单次测量值
11、与平均倪之差不得大于士0.002 f”。8.4. 3, 3估计好初始裂纹长度后,将载荷降低,但仍要保持夹具对中。8. 4. 3. 4 重新将试样加载,并按图7所示,对试样进行110次卸载再加载试验。s.4.3.s 卸载再加载的最大范围应不低于o.2旦,或不小于当时载荷的50%,取其中之较低者。最后4次卸载时,将载荷直接降至零。s. 4. 3. 6 有些材料可能因载荷松弛效应而使卸载斜率呈现与时间相关的非线性。为避免t述影响口J以在开始卸载再加载试验之前,将试样在恒位移控制下保持一段时间。1:1 GB 2038 91 I ii 一一一RH,(内同)炬甜施力点Iii移(,)嘈mm图7单试样法加卸裁
12、顺序示意图8. 4.3. 7 卸栽再加载的位置应使J固立至少有四个数据点满足本方法9.3的有效性规定。为此,在裂纹稳定扩展阶段,最好均匀分布八个或更多个数据点。8-4.3.8 卸F试样,按本标准8.3.2.2条的规定对试样进行热着色或二次疲劳。3.4.3.9按木标准8.3.2.3的规定将试样压断。3.4.3.10 接本标准8.3.2.4的规定测裂纹长度(il、2、2的。8.4.3-11 计算裂纹扩展量监aa,(单位为mm),试验结果的处理9 9. 1 计算f-;1曲线下的面积按第8章试验程序测得载荷(P)施力点位移(.1)曲线后,用定极求积仪或数值积分法,求出给定挠度下PA曲线下的面积A(见图
13、8),准确到土2%。然后按所选用的我荷标尺及位移标尺比例,将所测面积换算成能量,单位为kJ。卸载辑巳,rP, ZAVkv定划施力点位移l , mm 用于汁):1值的时积罔80a)1二(),一向。9.3.1.2 根据附录A的式(Al)、(A2)、(A3)卫且附二EB的式(Bl)、(B2)、(B:l)求出该试样在b日载终ti:. 处的.Jl值a9.3.1-3 在.!图上,过点(1.a),.J1J作钝化线的平行线,而得到j合格数据医的右界限线c1-1界限线勺1v!轴的交点,记为旷。9. 3. 1. 4 Aa应大于0.6 mm,小f或等于.5 mm, 关于试验点分布间隔的规定,如阁10所示,本标准规定
14、在区域A平11区域B内必须各布个数据点,其他数据点可以在合格数据区内任意分布。为此,过a=0. 25 mm及恼!la处作制峭的平行线,它们分别与克、右界限线构成A区和E区。9. 3. 2 P飞GB 2038 91 o-1 a o.75a 。,。o. 6 0.25mm 3/ 4. 0.4 0.2 。RgM4型敏扩展量(al.mm 图10关于试验点分布间隔的规定用最小二乘法对合格数据按式(5)进行线性回归。9. 4 . ( 5 ) lnj = lnC, + C,lnoo 在J00图上偏置。.2阳n作钝化线的平行线。9. 4回归后所得JR线与9.5偏重线的交点(见图9)定义为Jo、曲。为确定该交点,
15、可采用如r程从图自上的数据点估计一个Jooi值。按式(的计算oo,川29. 5 9. 6 序。日,6.1 9. 6. 2 . ( 6 ) ooo】华立o. 2 zY 根据幕乘关系计算JQ(2) 9.6. 3 . ( 7 ) JQ(Z( = c, .oooi)25.lo叫。试样初始韧带1025.10/a,。幕乘回归线在点(飞a,.Jq)处的斜率U旭、“小于叭。在试验温度和加载速率F,没街试中丰呈脆性解理断裂G裂纹前缘平直度应满足以下要求:在断口上测量的九个裂纹长度】二I9)/_j按式(4)计好的裂纹长度之差均小J-7%。无侧槽试样或带侧槽试祥在近表团(或近侧槽根部)的裂纹扩展量与试样巾,川9.
16、8.2 9. 8. 3 9. 8. 4 9.8. 5 a b. 纹扩展量之差均小J0. 02 TV, 9. 8. 6 ;单试样法中,根据最终卸载线用柔度法(或其他方法)求山的裂!ck扩展坠与断门l:i刑i量的平均裂纹扩展量应当一致,两者之差应满足以下要求:当裂纹扩展量am,时,差值1也小于0.15 当裂纹扩展量Bt.差值不得大于日,15 有效模量E与E之差不得大子10% a. b. c. 试验报告10 .T试验报告成包括如下内容试验材料的冶金状态、取样部位;试验材料的常温屈服强度及抗拉强度,试样取向和尺寸。试1t尺、l包iii厚度日或净lf度/JN、宽度”、初始韧带尺寸刷中JJ始纹士王Jia
17、b. 27 c a,; GB 2038-91 d. J,c试验温度和加载速率下的屈服强度和抗拉强度;. 加载速率,f. 试验方法(多试样法或单试样法),试样数量及有效试验点数3g. J,和J,c值,kJ/m勺h. Jo值与试验结果无效的原因,I. J,c试验报告也可包括,疲劳预制裂纹最后O.7 mm阶段的最大疲劳载荷及应力强度因子幅值,裂纹前缘平直度,断口特征描述,载荷4位移记录与有关的计算及J!a回归曲线等内容。88 GB 2038 91 附录A三点弯曲试样的试验要求(补充件)Al 试样A 1. 1 标准三点弯曲试样(图Al)的W/B2,名义跨度s4w。A 1. 2 除IV/B=2的试样外,
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