GB T 2358-1994 金属材料裂纹尖端张开位移试验方法.pdf

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1、UDC 669.1/.8: 620.172 J 04 中华人民共和国国家标准GB/T 2358-94 金属材料裂纹尖端张开位移试验方法Test method for crack-tip opening displacement measurement of metallic materials 1994-10-12发布1995-08-01实施国家技术监督局发布中华人民共和国国家标准金属材料裂纹尖端张开位移试验方法Test method for crack-tip opening displacement measurement ot metallic materials 主题内容与适用范围GB

2、/T 2358-94 代替GB2358-80 本标准规定了测定金属材料室温及低温裂纹尖端张开位移(CTOD)的试验方法。本标准适用于金属材料延性断裂的情况。本标准不适用于除温度影响以外的环境条件下的裂纹尖端张开位移(CTOD)的测定.2 引用标准GB 228 金属拉伸试验方法GB 2038 金属材料延性断裂韧度J试验方法GB 4161 金属材料平面应变断裂韧度K，c试验方法GB 10623 金属力学性能试验术语3 术语与符号3.1 术语3. 1. 1 裂纹尖端张开位移(CTOD)11 弹塑性体受I型(张开型)载街时，原始裂纹尖端由于弹性和塑性变形而引起的裂纹张开位移。3.1.2 CTOD值11

3、.相应于某一裂纹扩展量的CTOD值。3. 1.3 111民曲线11.与裂纹扩展量的最佳回归曲线。3. 1.4 突进点载荷位移曲线上出现的不连续点，突进点的曲线具有位移增加，载荷突然减小的特征。3. 1. 5 伸张区宽度szw裂纹钝化时所产生的裂纹延伸长度.3.1.6 特征CTOD值启裂、失稳和最大载荷CTOD值，它们表征材料抵抗裂纹启裂或扩展的能力。3.1.6.1 条件启裂CTOD值11;11.曲线上=O.2mm所对应的CTOD值。3. 1.6. 2 表观启裂CTOD值80. 05 11.曲线上a=0.05mm所对应的CTOD值。3.1.6.3脆性启裂CTOD值11, 国东技术监督局1994-

4、10-12批准1995-08-01实施GB/T 2358-94 稳定裂纹扩展量aO.2mm脆性失稳断裂点或突进点所对应的CTOD值。3. 1. 6. 5 最大载荷CTOD值8m 最大载荷点或最大载荷平台开始点所对应的CTOD值。3. ,. 7 本标准的其他有关术语按GB10623的规定。3.2 符号B一试样厚度，mm;W一试样宽度，mm;S一弯曲试样加载跨距，mmjH-C(T)试样半高，mm;a, 原始裂纹长度，mm;a一裂纹长度，mm;a一裂纹扩展量，!:w.=a-ao,mm; b。一原始韧带，bo=W向，mm;y一屈服应力(屈服点，或屈服强度。，.，).MPa，b一抗拉强度，MPa;y一有

5、效屈服强度，y=(同+b)/2.MPa，E 弹性模量，MPaj一泊松比zK，-J型应力强度因子，MPaml/2;AK应力强度因子范围，最大应力强度因子与最小应力强度因子之差，MPam1/2;Y(ao/W)一试样几何形状因子，PfmaX-预制疲劳裂纹时的最大载荷，kN，Pfmin一预制疲劳裂纹时的最小载荷，kN;P一试验载荷，kN;PL一极限载荷，kN;V一裂纹嘴两侧夹式引伸计的张开位移，mm;Vp一引伸计张开位移的塑性分量，mm;rp一试样塑性变形阶段的转动因子$Z 引伸汁装夹部位到试样表面的距离即刀口厚度，mm。4 试验方法概述4. , 本方法的目的是为了测定裂纹扩展过程中不同阶段的CTOD

6、傻，这些值包括00.05，i乱，u，Omo4.2 本方法采用带疲劳裂纹的直3点弯曲加载、拱形3点弯曲加载或用销钉加载的试样。试验中记录载荷P与引伸it位移V的曲线，见图102 GB!T 2358-94 P V 图1P-V曲线形式4.3 为了获得心与lul的关系曲线，可以采用两种方法。第一种方法为多试样法，它至少用6个形状及几何尺寸完全相同的试样，分别加载到不同的裂纹扩展量，用光学方法在断口上测定裂纹长度，然后将测得的8.与lul作图，用解析法得出8.与lul的最佳回归曲线。第二种方法为单试样法，用一根试样采用弹性柔度法或与之相应的其他间接方法求出试样的裂纹长度及扩展量。二种方法中应优先采用多试

7、样法。5应用5. 1 本方法所确定的CTOD值可用来表征下述情况下的材料特性。5.1.1 材料韧性很好，不能提供满足GB4161中所要求尺寸的试样。5.1.2 具有非稳态裂纹扩展的倾向，且又不满足GB2038中的要求。5.2 本试验确定的不同的CTOD值可用来表征在给定温度下，材料抵抗裂纹的启裂和早期扩展的阻力.5.3 本标准所获得的CTOD值可用于以下目的。5. 3. 1 在新产品开发与研究中.CTOD值用来评价冶金因素及工艺因素对金属材料断裂韧性的影响。5.3.2 作为母材、焊接金属和焊接热影响区的制造质量控制和验收规范的依据。5. 3. 3 可应用于建立在断裂力学基础上的缺陷评定规范。6

8、 试验设备6. 1 试验机试验机可采用各种型式的材料试验机，但必须满足GB228中对试验机的各项要求。6.2 加载装置6.2.1 3点弯曲加载试验装置采用图2所示的支承辍来支承试样，试样与支承辗之间保持滚动接触，支承辍与夹具必须采用高强钢，其硬度必须大于HRC40.以防表面产生压痕。3 事2.25W 图5直3点弯曲SE(B)试样注机加工缺口应垂直子试样表面，偏差在士2以内.单试样法宜采用整体刀口.s 图6拱形3点弯曲ASE(B)试样 GB!T 2358-94 kzed钊泣N-MHKNo.sw 1.25W :t O.OlW WiO.OO5W AEZod制运创叫坦问Cal销钉直径为O.24WCO.

9、 ooow 1-O. 005Wl时的紧凑拉伸试样O.5W 见圄81.25W主O.010W二W主O.005WKEEn-o Cbl销钉直径为0.1875WCO. OOOW 1一O.OOlWl时的紧接拉伸试样图7紧凑拉伸C(T)试祥7.2 所有试样的厚度应优先采用被测材料的原始厚度尺寸。7.3 所有试样的原始裂纹长度ao必须在O.45W0. 55W范围内。7.4 所有试样的加工缺口应在图8规定的包迹内，缺口根部半径小于等于0.08mm。当裂纹前缘平直度难于控制时，可采用GB4161中的山形缺口。7.5 标准试样的宽度与厚度之比W!B名义上等于2.也可采用其他比值的试样。7.6 SE(B)试样的跨距与

10、试样宽度之比为S!W= 4.试样长度不小于4.5W.宽度与厚度之比W!B在1 4范围内。7.7 C(T)试样的半高与宽度之比为H!W=O.6.宽度与厚度之比WjB在24的范围内。7.8 ASE(B)试样的跨距与试样宽度之比S!W2. 7.9 预制疲劳裂纹7.9.1 所有试样必须通过疲劳的方法产生预裂纹，疲劳引发裂纹时采用的最大疲劳载荷P1mU应不大于P，.对于SE(酌.ASE(B)试样P, = 0.5BNy!S 对于C(T)试样p., = o. 4Bbiy!(2W + ao) 7.9.2 最大疲劳载荷的精度应达到土5%.最小疲劳载荷Pfmin应不大于0.1P，。7.9.3 在疲劳裂纹扩展至最后

11、0.7mm时，最大疲劳载荷不大于矶，且疲劳载荷幅对应的应力强度因子幅与弹性模最之比.K!E应小于等于O.005 mm 1/2，取二者较小者。7 GB!T 2358-94 7.9.4 疲劳裂纹的长度应不小于5%aij且不小于1.3 mm. 7.10试样制备7.10.1 试样数量采用多试样法时，至少应准备6个试样，采用单试样法时，以准备3个试样为宜。7.10.2 试样取向标记试样取向标记同GB4161中有关规定.8试验程序8. 1 载荷、位移测量系统的标定在试验温度下对载荷、位移测量系统进行标定，在连续做试验之前，也要对载荷、位移测量系统进行标定。8.2 多试样法8.2.1 将形状、尺寸相同，初始

12、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，加载速率应该使达到0.4PL的时间在0.1-10min之间.对于SE(酌，ASE(B)试样PL= 4Bby!(3S) 对于C(T)试样PL = Bby!(2W + a,) 8.2.2 为了更好的控制卸载点，应按下述步骤进行试验。8.2.2.1 第一个试样加载到接近最大载荷平台起始点停载。根据记录的P-V曲线估计以后各试样加载停机点的位移量。8. 2.2.2 将试样卸载，并用热着色法使裂纹前缘留印。如采用二次疲劳的方法留印，则最大循环载荷小于卸载点载荷且最小载荷等于最大载荷的70%。8.2.2.3 将试样打断，显示裂纹前缘，为避免压断试样时裂

13、纹扩展区的形貌发生畸变，必要时宜在二次疲劳后再压断试样。8.2.2.4 按图9所示沿着疲劳裂纹前缘和标记出的裂纹稳态扩展区的前缘，在其间隔的9点上测量裂纹尺寸Q，.i=1，2、3.9)，测量仪器的精度不低于0.02mm，按F式计算裂纹长度z8 1 ( a +句号、l|. (1 ) 8izta2j 1 (a1 + a，l a=一1-一一一+ ;al . . . .( 2 ) 8 2全-，) GB/T 2358-94 注，BN = (B - O. 01日)(8-:iW -一叫1合格的缺口., 气寸寸时3i一机w=刷一工-L裂二剧iO: E / F F e d d d a J 矗 s . -= B

14、机拥工融口前.现的噩住矿履E前橡植费型缺前.。因9裂纹测量示意图9 GB/T 2358-94 8.2.2.5 计算裂纹扩展量!:uJ.=a-ao8.2.2.6 确定下一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，直至得到6个或更多个满足本方法9.3规定的数据点为止。8.3 单试样法8.3.1 卸载弹性柔度法8.3. 1. 1 将试样加载，加载速率应使达到O.4凡的时间在0.110min之间。卸载再加载的速率应低，以能准确估计裂纹长度为准。8.3. 1. 2 每个试样按下述步骤进行:8.3. 1. 2. 1 根据初始弹性柔度估计原始裂纹长度，此时最大载荷控制在0.10.4PL范围

15、内.8.3. 1. 2. 2 为估计原始裂纹长度a柔度测量至少重复3次oa，的单次测量值与平均值之差不得大于土0.002日气8.3. 1. 2. 3 估计好原始裂纹长度后，将载荷降低，但仍要保持夹具对中回8.3.1.2.4 重新将试样加载，并按图10所示对试样进行110次加载一卸载一再加载试验.10 Zu-nh很耐图10单试样加载一卸载一再加载示意图8.3.1.2.5 卸载再加载的最大范围应不超过0.2PL或当时载荷的50%.取其中较低者。8.3.1.2.6 卸载再加载的位置应使命a图上至少有4个数据点满足9.3的有效规定，为此，在裂纹稳定扩展的2mm范围内，最好均匀分布8个或更多个数据点.8

16、. 3. 1. 2. 7 卸下试样，按本方法8.2.2.2的规定对试样进行热着色或二次疲劳。8.3.1.2.8 按本方法8.2.2.3的规定将试样压断.8. 3. 1.2.9 按本方法8.2.2.4的规定测量裂纹长度a，(i=1.2.00.9).8. 3. 1. 2. 10 按GB2038中的规定计算裂纹长度。8.3.2 用剖面法测CTOD值见附录B。8.4 低温CTOD的试验方法见附录C.，盟章应嘴张开位移(V).mm试验数据分析9.1 记录曲线的处理一一常见的P-v记录曲线类型见图1(a)(e).9.1.1 在图1(a)和他)的情况下，取脆性失稳断裂点或突进点所对应的载荷P，与位移V叩计算

17、8.如果失效发生在线性段附近，可按GB4161测量K1co9. 1.2 在图1(e)的情况下，取最大载荷点或最大载荷平台开始点所对应的载荷Pm与位移Vmpit算屯。10 9 GB/T 2358-94 9. 1. 3 在图1(c)和(d)的情况下，取脆性失稳断裂点或突进点所对应的载荷P与位移V，计算乱，如果突进点是由于疲劳裂纹前缘的脆性失稳扩展受阻引起的，则应考虑被测材料的特征。试验后的断口检验，如最大突进裂纹扩展最已超过0.04b可按下列步骤估计小突进信号值，见图1109. 1. 3. 1 通过最大载荷点作BC线平行于OA线。9. 1.3.2 作BD线平行于载荷轴.9. 1. 3. 3 位于0

18、.95BD处作标记E9.1.3.4作CEF线9.1.3.5 相应于载荷位移的突进处作标记G。9.1. 3. 6 当G点位于BCF以外时，取载荷P，或P和位移V，或V计算，或乱，例如图11(alo 9.1.3.7 当G点位于/BCF以内时.该突进点可以忽略.网lHhLflO O.然后以(C)i+I= (C,)i -i(C，).!100和=1，2，3重复Al.30 A 1.6 重复迭代法直至(5)i叫一S， O.然后以(C2)+1= (C)i - i(C,).!1 000和i= 1，2，3重复。A1.7 继续迭代法直至1(5)i-j- S/J/5, I cz ，则令Cz.= C2 A1.9 计算机

19、程序参考附录Eo附录BBiJ面法测定CTOD值(参考件)81 术语81.1 伸张区裂纹尖端钝化所形成的塑性变形区。16 GB/T 2358-94 B1.2 剖面本方法中专指垂直于裂纹面而且包括裂纹在内的试样纵剖面。B1. 3 ai 以饱和伸张区高度加上仇所表示的CTOD特征值gB1.4 a, 根据试验载荷计算的CTOD弹性分量:a, = !_江上二丘旦:2日B2，E) I RU ( . 式中，Y形状因子，见9.20B2 测试原理剖面法的基本原理是把启裂CTOD与伸张区高度联系起来，见图B1。由于卸载过程中裂纹尖端的塑性区要受到周围弹性区的压缩，从而使得裂纹尖端的塑性张开位移缩小。只有当裂纹起裂

20、后继续加载到某一裂纹扩展量以后卸载，由于此时新的裂纹尖端已距原始尖端有一定距离，原始尖端所受到的卸载效应影响才可能完全或部分消除。图B1(a)适用于裂纹面对称的情况。大多数情况下，裂纹面不完全对称，如因Bl(b)，但饱和伸张区的高度只要能测准仍可给rta，、恼。a)裂纹面对称b)!)(面不完全对科图B1剖面示意图B3试样的.1试样形状，尺寸和预制裂纹应符合本方法正文中第7条规定。B3.2 试样数量，对于均质材料可用单试样，但每个试样切取试片不少于5个，对于焊接接头试样.可按图B2预制裂纹及切取试片，试样数不少于3个，每个试样切取试片数不少于5个制回线 、吁 L 图B2试样Jl1J切位置示意图B

21、4 试验程序B4.1 试验按本方法正文中第8条规定进行，过最大载荷点后停机，记录加载中的最大载荷，试样不得17 G8/T 2358-94 断裂。84.2 卸载后将试样用线切割机切片，剖切位置可定在距试样表面大于B/8的位置处，见图B2084.3 切割好的试片应用丙嗣或乙醇清洗干净，但不得在裂纹尖端产生倒角或脱落，以避免裂纹尖端轮廓的改变。85 测量85. 测量工具采用工具显微镜或能保证测量精度的其他仪器。目镜和物镜的总放大倍数一般以3050倍为宜，测量应精确到0.01mmo 85.2 测量时以裂纹嘴的连线方向作为裂纹的法线方向，经裂纹面的切点矶和D2作为裂纹原始尖端，以裂纹扩展丽与伸张区交点作

22、为贝利12测量点，以A点作为裂纹新尖端点，见图B3。85.3 对于裂纹轮廓线不规则的试片，测量点可参照图B4选取。85.4 每个试片测量23次，取其平均值。85.5 裂纹开裂点超H2处时，该试片无效，图B5(.)。型扯嘴连战s d,- dj L11 B3 的测量点选取位Ft6，d，-d， ls=-d,-d,-d. 图以裂纹轮娜不规则试片的测量点选取位Wi:.18 GB/T 2358-94 a)开裂超出二处b)一侧的D点与T.8，在同连线上图B5无效试片B5.6 裂纹面产生不对称或D，(D，)与T，(T，)在同一连线上时，该试片无效，如图B5(b)。B6 试验结果处理B6.1 根据每个试片的测量

23、记录，按下式计算每个试片的CTOD值和裂纹及扩展量gB6.2 如.a:82+SeHu-HH-.( B4 ) n&-42 B6.4 对于焊接接头试样，以该组试样同一区域全部试片的平均值作为该区域的Oj8.，B6.5 得出占山值的有效试片数不少于3个.附录C低温CTOD试验的有关要求(参考件)C1 建议采用的低温CTOD试验装置见图CLC2 为了使引伸i十不受低温介质的浸泡，刀口厚度宜大于5mm，并建议采用骑跨式刀口或整体刀口，见图C2.在试验温度不低于一20C的情况下，可采用粘贴刀口。C3 引伸计应在试验中寻l伸计所在环境温度下标定，在一批试验中应适当增加标定次数，以保证引伸计输出的可靠性.C4

24、 在一llOC以上的温度下，可用无水酒精加液氮作为低温介质，而在一70C以上的温度下，也可以19 GB/T 2358-94 采用工业酒精加干冰作为低温介质。C5 为了保证试样温度均匀，低温介质的液面应超过试样表面Zmm以上，并进行搅拌，在试验温度下按保温时间按试样厚度至少应为30s/mm，且不少于5min方可开始进行加载试验。C6 温度测量应在靠近试样裂纹尖端处进行，准确到士ZC。量荷佬嚣因Cl低温C丁OD试验装置A一A国CZ骑跨式刀口20 GB/T 2358-94 附录D从直3点弯曲试样的P-V曲线估算J积分的方法参考件)对应子P-V曲线上某一点的J积分值按下式估算:J = Ki(l严)2U

25、，=二千二E B(W - a) .( D1 ) Z + a v工tp一vlJo-w 均TS-4 一U .( D2 ) J-J积分.kJ/m，K，-一按9.2条中的式(3)计算。U，-一由PV曲线估算的变形功塑性分量，kN.m;式中ge PdV, -PV曲线下面积的塑性部分(图D1).kNm。P、部戴缉ZUA二【t梅都型蚊嘴张开位移()，mml-V曲线附录E计算阻力曲线的BASJC程序(参考件)图D1CTOD TEST METHOD 110 X=delta-a. Y =CTOD 120 DIM X (50) Y (50) XP(50) YP(50) .C2 (50) .A (50) ,B(50)

26、 .SE (50) 130 INPUT Specimen Mark? .SPEC $ 140 INPUT How many DATA?飞K%150 FOR 1I %=1 TO K% PRINT Il% ,)., INPUT delta-A= 100 GB2358-160 21 .XP(lI%) ; PRINT 170 180 GB/T 2358 94 190 INPUT CTOD= . YP(lI%):Y(ll%)=YP(ll%):X(lI%)=XP(lI%) 200 NEXT ll% 205 I end 01 inpu t da ta 210 GOSUB 620 220 C2P=A/B:AL

27、=A:BL=B:SEL=SE 230 FOR 1l %=1 TO K% 240 XP (11 %)=LOG(C2P+X(11%) 250 YP(11 %)=LOG(Y(11%) 260 NEXT ll% 270 GOSUB 620 2801%=I:C20%)=C2P:SEO%)=SE 290 M=10 300 DC=C20%)/M 3101%=I%+I:C20%)=C20%一1)-DC320 IF M=1000 AND (C2(l%一1)=C2POR C2 (l%)=(0) THEN GOTO 450 330 IF C20%)(0 THEN 430 340 FOR 1l%=1 TO K% 35

28、0 XP (lI%)=LOG(C20%l+X(11%) 360. YP (11 % ) =LOG(Y (11%) 370 NEXT ll% 380 GOSUB 620 390 SEO%)=SE:AO%)=A:BO%)=B 400 IF ABS(SEO%)-SEO%-I)/SEO%-I)(. 001 THEN 450 410 IF SEO%)-SE(I% -1)=)0 THEN 430 420 GOTO 310 430 M=M怜10:DC=C20% -1 )/M :C20%) =C20%一1)一DC440 GOTO 320 450 I end of iteration 460 IF C20%一1

29、)=C2P THEN Cl =BL :C2=C2P :C3= 1 :SE=SEL :GOTO 600 470 IF C20%)0 AND C20%)(C2P THEN 530 480 FOR 1l%=1 TO K% 490 XP(lI%)=LOG(X(lI%) :YP(11 %)=LOG(Y(II%) 500 NEXT ll% 510 GOSUB 620 520 GOTO 560 530 Cl =EXP(AO%) :C2=C2(1%) :C3=BO%) :SE=SEOJ,) 540 GOTO 560 550 Cl=EXP(A) :C2=0:C3=B:SE=SE 560 CTODO=Cl祷(C2

30、+.05) C3 570 CTODI=Cl赞(C2+.2) C3 580 SSI=EXP(LOG(Cl)+SE) SS2=EXP(LOG(Cl)-SE) 590 output results 600 GOSUB 810 22 610 GOTO 1000 620 Xl=0:X2=0:Yl=0:Y2=0:XY=0 630 FOR II% =1 TO K% 640 Xl=Xl+XPII%) 650 X2=X2十XPII%)骨XP(J%)660 Yl=Yl+YPII%) 670 Y2=Y2+YPII%)祷YP(J%)GB/T 2358-94 680 XY=XY+XP(Il%)祷YP(J%)690 NE

31、XT 11% 700 XO=K%骨X2-Xl椅Xl:YO=K%怜Y2-Yl赞Yl710 Kl=K%祷(K%-l)720 SX2=XO/Kl 730 SY2=YO/Kl 740 B=(K%祷XY-Xl势Yl)/XD750 B2刀B祷B760 A=(YI-B是Xl)/K%770 SE2= (SY2-BZ * SX2)铸(K%-1)/(K%-2)780 SE=SQR(SE2) 790 R=SQR(l-SE2提(K%-2)/(SY2保(K%1)800 RETURN 810 CLS:PRINT USING Least Squares Regression Analysis & :DATE$ 815 PR

32、INT 820 PRINT USING Specimen Mark: 8;.J ,SPEC $ 830 PRINT USING 气时，error01 estimate :SE= #. # # # # #拌;SE840 PRINT USING Correlation Coefficient: R= #. # # # # # #气R850 PRINT 860 PRINT USING Std. CTOD= #. # # #拌1/;Cl; 870 PRINT USING ( #. # # # # +delta-A) , C2 , 880 PRINT USING #. # # # # ,C3 890 P

33、RINT 900 PRINT USING CTODi = #. # # # mm ,CTODI 910 PRINT USING CTODO. 05= #. # # # mm ,CTODO 920 PRINT 930 PRINT USING SUP. LIMIT CTOD= #. # # # # ,SSI , 940 PRINT USING ( #. # # # # +delta - A) , C2 , 950 PRINT USING #. # # # # J ,C3 960 PRINT USING CINF. LIMIT CTOD= #. # # # #门SS2，970 PRINT USING

34、 ( #. # # # # +delta - A) , C2 , 980 PRINT USING #. # # # # J ,C3 990 RETURN 1000 END 23 24 GB/T 2358-94 BASIC 程序变量说明程序行号BASIC编码130 SPEC$ 140 K% 150 XP(II%) 190 YP(II%) 780 SE.SE2 840 R 860880 C!C2.C3 900 CTODi 910 CTODO 930 SUP. L1MJT 960 INF. LlMIT 附加说明:本标准由中华人民共和国机械工业部提出。本标准由机械工业部合肥通用机械研究所负责起草。本标准主要起草人王印培、章小浒、肖有谷。变量说明试样编号数据组数a(i).i=I.2.3 R(i) .i=1 ,2.3 标准差，标准方差拟合相关系数式A(l)中的Cl.C2.C3i 8，仍R阻力曲线分散带上限R阻力曲线分散带下限本标准自实施之日起，原GB2358-80裂纹张开位移(COD)试验方法作废.