GB T 4161-1984 金属材料平面应变断裂韧度KIC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平面应变断裂韧度Kie试验方法Standard test method for plane strain frac阳retoughness of m etalllc mate rials uot: 669 620 . 178. 3 GB 4161 84 本方法采用厚度专I或火fl.6mm带材的疲劳裂纹的；二点弯曲、紧凑拉仲、C形tv：仰和圆形紧凑拉伸试样，lj定金属材料的、1面应变断裂韧度Kie。当试验结果记放时，地可以按本方法规定视i试样强度比R, o 1 概述1 . 1 本方法用带有疲劳预裂纹的缺口试样，在三点弯曲或投仲加裁下白马）j记录载街Pf生裂纹嚼的iK

2、开位移V。然后，按本标准规定的方法，在记录的FV曲线上求出裂纹长度的表观扩展险为2 ilJ 的载衔，将此载荷代人相应试样的K：表达式，j,t算Kie的条件值K，如果试验结果满足本）法规定的有效性判掘，K，二K!C，否则，试验结果无放。1.Z /!I本方法测定的Kie$（.征在中性环境中，在裂纹前缘近似处三轴拉伸中面应变条件，且裂纹顶端塑性民尺寸远小干裂纹尺寸和约束方向上的试样尺寸时，材料付断裂的抗力。Kie是断裂韧性的下限值。材料的Kie恼与加载速率和温度有关。本方法要求试样的加载速率应使应力强度因子速率在0. 2.75Pamo/s (1.77 8.77kgf mm t/s）范围内。1. 3

3、如果并E料不能提供尺寸合乎本试验方法要求的试样，只能)tj本方法测定试样强度比R，时目标x表：1z所用试样的形状）。它uJ以作为材料切性的相对度量。1. 4 本方法可用于F列日的z1 4. 1 研究冶金因素（成分，热处理或制造工艺（如焊接、成型对材料断裂阳度的影响。1.4.Z评价材料是否适用。若已知具体使用条件下的山力状态，并能可靠地确立；最大裂纹尺、h; j 以根据Kie判定某种材料是否适用。应当指出，在K川、于Kie的情况.循环载荷、腐蚀介性或持久载荷也能SI起裂纹扩展并使其扩展JU）虫。因此在选用Kie值时，应注意实验室试验条件和现场条件之间的差别。1. 4.3作为验收和产品质量控制标准

4、。如果巳知材料的Kie值，而日产品尺寸可以提供尺J足够大的满足Kie试验有效性条件的试样，则KIC可以作为材料验收和产品质量控制标础。如果雯对材料在某一具体应用中的Kie提出要求，国先应该对构件的受力情况、I竹坏克、.JLi.4 检测裂纹方法的灵敏度、叮靠性等方面进行研究后，才能确定合理的Kie值。z 符号及单位SE(B）一一三点弯曲试样，C(T）一十一紧凑拉伸试样；A（丁）一一C形投伸i式样，DC(T）一因形紧凑拉伸试样s国家标准局198402 24发布川江1985 01 01实施W一一试祥宽度，mm,Be一一试样厚度，mm,GB 4161-84 W-a一一试样韧带尺寸，mm1S一一弯曲试验

5、跨距，mm,L三点弯曲试样总长度或C形拉伸试样加载孔中心线处的外圆弦长，mm,h一C形拉伸试样的内半径，mm,r，一c形拉伸试样的外半径，mm1x C形按伸试样加载孔的偏置尺寸，mm,D一圆形紧凑拉伸试样的直径，mm,r 一圆形紧凑拉伸试样的半径，mm,f一一平断口部分的宽度，mm,Qf一一疲劳裂纹长度，mm,a一一裂纹长度（机加工缺口长度加疲劳裂纹长度）, mm, f（是）一一试样几何形状因子，P一一试验载荷，kgfP，、P，按图11确定的载荷值，kgfPm一试样所能承受的最大载荷，kgf,Pim一最大疲劳载荷，kgfP fmi n一最小疲劳载荷，kgf1V一裂纹嘴两侧刀口张开位移，mm1E

6、一一弹性模量，kgfmm.,。y一一屈服强度0.,kgfmm飞。川一一温度T，时的屈服强度，kgfmm飞，一一一温度T，时的屈服强度，kgfmm-21Kr一应力强度因子，MNm才，或MPam+(kgfmm幻，K re一一平面应变断裂韧度，MNmf或MPam+(kgfmm-t Ko一Kie的条件值，MPam+(kgfmm ,Kim一一预制疲劳裂纹时的最大应力强度因子，MPam+( kgfmm灯，K1mt n一一预制疲劳裂纹时的最小应力强度因子，MPam卡（kgfmm勾，11 K一一应力强度因子幅度，AK =Kim兑K1m10,MPam+ (kgfmm t) kl一一应力强度因子速率，MPamt/

7、s (kgfmm t Is) 1 户一一加载速率，kN/skgf/s), R，一一三点弯曲试样的试样强度比，R,c一一紧凑拉伸试样的试样强度比，R，.一C形拉伸试样的试样强度比，R, 圆形紧凑拉伸试样的试样强度比。注EMPamt-二MNmi, MP a= MNm 0 I kgf二9.807N,I kgfmm-l=o.310MPamt。3 Ji:义3. 1 应力强度因子K1MNmt (kgfmm-f）一一线弹性介质中，I型裂纹顶端的应力场强度Kr= limita, ( 2 1tr) t r，。2U GB刷刷84式中：Oy一一垂直裂纹面的主应力，r一o，所在位置到裂纹顶端的距离。3.2 平面应变断

8、裂韧度KrcMNm才（kgfmm才）一Krc是按本试验方法测定的应力强度因FKr 的临界值。它表征材料抵抗裂纹扩展的能力，是度量材料韧性好坏的一个定量指标。其中罗马数字I指I型裂纹及裂纹顶端处于平面应变状态。注sI型裂纹表示两个裂纹面沿其垂直方向移开的变形情况。.a 试样强度比R，一此比值为无量纲量，它与试样所能承受的最大载荷、试样尺寸及材料的屈服强度奋关。各试样强度比的计算式见附录C、D、E、F（补充件）。与Krcf直不同，该比值不是断裂力学指标。当K，不满足Krc试验有效性条件时，如果试样形状、尺寸相同，且最大载荷是由于裂纹显著扩展，不是塑性失稳造成的，此时，可以计算试样强度比并作为材料韧

9、性的相对度量。试验援置4 本试验可以采用各种形式的试验帆，但应备有自动记录装置并满足GB228一76金属拉力试验法中对试验机及测量工具的各项要求。4. 1 试验夹具的结构应使摩擦力对被测载荷的影响减至最小。各类试样所用夹具列于附录C、D。4.2 引伸计应能准确指示裂纹嘴标缸间的相对位移，且能稳妥地安在试样上。当试样断裂时，引伸计能自行脱开而无损坏。图1是本方法推荐的双悬臂果夹式引伸计。详细说明见附录A（补充件。T, c、应体加工的刀口、民、 / / c, T, 图1安装在整体刀口上的双悬臂夹式引伸计注5000应变片的灵敏度比1200的高。4.2. 1 试样必须有一对精确加工的刀口，用来支持引伸

10、计并作为测定裂纹嘴张开位移的参考点。图2是整体刀口的设计示例。图3是用螺钉固定刀口时的设计图，刀口间距为5mm，有效标长等于螺钉孔中心距2C加螺钉直径。图4是用快干胶粘贴刀口时的要求。1 f / / 佣二 飞、，alt、GB 41创84N 45一、060 f ， - 90 , !I i 注25- 6. 5刊1 3 - I 5 图2整体刀口设计示例注：尺寸以毫米为单位。刀口间距与附录A中的垫块尺寸相对应。引发缺口形状见图Bo i式样l J F1；：直径缺口中4线F兰；Jl 图3螺钉固定刀口的设计示例注z尺寸以毫米为单位。w 有放标长2 c 螺钉直径-zo刀口间距与附录A中的垫块尺寸相对靡，刀口宽

11、度不得小于夹式51伸计悬臂臻的宽度。 I I 注z尺寸以毫米为单位。N 主“飞8、60GB 4161-84 量大22图4粘贴刀口4.2.2 引伸计需用引伸计标定器或其它装置校核其线性。标定器在每个位移间隔上的重复性应在0.00050mm以肉。标定程序为z把引伸计装在标定器上，对引伸计工作量程的十个等分点进行标定。然后取下引伸计，并重新装上，做第二次标定。如此标定三次。伸计的线性应当满足每个位移读数与最小工乘法拟合直线间的最大偏差不但过0.0025mm。由于本试验方法只涉及位移的相对变化，所以位移读数本身的准确度并不重要。凡满足上述要求，且标长不超过各试样对标长的限制（见附录C、D、E、F）时，

12、各种型式的引伸计均可采用。5 试样形状、尺寸和制备5. 1 试样形状示于附录C、D、E、F。三点弯曲试样的代号为SE（酌，紧凑拉伸试样自伪C(T）、C形拉伸试样的为A(T）、圆形紧凑拉伸试样的为DC(T）。括弧中的B代表弯曲加载，T代表拉伸加载。5. 1. 1 标准试样的W/B名义上等于2，裂纹长度a名义上等于厚度B，并且在0.450.55W之间。5. 1.2非标准试样的W/B不等于2，弯曲试样可以选用1W/B4，其它试样可以选用22.5 ( K re ju，严。5.8 试样制备。，E0.0050 0.0057 0 0057 0.0062 0.0062 0.0065 0.00650. 0068

13、 0.0068 0.0071 0.0071 0.0075 0.0075 0.0080 0.0080 0.0085 0.0085 0.0100 0.0100 GB 4161-84 表l试样最小厚度和裂纹长度的推荐值mm 75 63 50 44 38 32 25 20 12.s 6.5 5.3. I 材料的断裂韧度与裂纹面取向和裂纹扩展方向有关。所以，试样应按下述规定注明裂纹面取向和裂纹扩展方向。一般采用两个字母来标记，第一个字母表示裂纹平面的法线方向，第二个字母表示预期的裂纹扩展方向。标记方法见图5和图6。如果试样与两个参考轴成倾斜角度时，则用三个字母标记裂纹面的取向和裂纹扩展方向。标记方法见图

14、70 图5矩形断面板材中裂纹面取向和裂纹扩展方向的标记规定L一长度或主变形方向，T宽度方向或最小变形方向，s一厚度方向或第三正交方向。如T-L试样表示裂纹面的法线方向为T，预期的裂纹扩展方向为LoGB 4181-8 图6捧材及圆饼中裂纹面取向和裂纹扩展方向的标记规定- L L一长度方向或主变形方向，R一沿径方向，c一圆周或切线方向。如C一L试样表示裂纹面的法线方向为C，预期的裂纹扩展方向为L。 L1 -S L 图7试样与两个参考轴成倾斜角度时，裂纹面取向和裂纹扩展方向的标记规定如LTS试样表示裂纹面的法线为L方向，预期的裂纹扩展方向在T和S方向之间，TSL试样表示裂纹平面的法钱是T和S方向间的

15、一个方向，预期的裂纹扩展方向为L 5.8.2试粹的尺寸公差和光洁度应满足附录C、D、E、F中图c.1、D.1、B.1、F.1的要求。5.8.8疲劳裂纹引发缺口共有四种形式见阁8），山形缺口的根部半径小于或等f0.25mm，冀余缺口的根部半径应小子或等于o.osmm, GB 4181 -4 在注总l3 v 山形缺口疲劳裂蚊注和注直通形缺口D kgf/mm mm/mm MP a s 2 3 注，该断裂试验茬适用于Al）试样。国hF-mIl- GB 41创84附录A双悬臂梁夹式引申计的设计（补充件）双悬臂聚夹式引伸i十包括两个悬臂梁和一个垫块，用螺钉连接在一起。在每根梁的拉伸面和压缩面上贴上电阻应变

16、片Ti、T2, C1、c，并连接成桥路，见图1。引伸计梁应选用，E值高的材料。可以用固溶处理的13V-!lCr3Al铁合金。梁和垫块的详细尺寸示于图A,I、A.2。按这些尺寸IJ日工成的引伸计，其线性范围即工作范围为3.77.6mm，推荐标长为56.5mm。如果想改变标长，只需变更垫块的高度。51伸计的精度应满足z位移读数和最小二乘法拟合的直线l司的偏差在士。.0025mm以内。”。e利Ro 5 的CN们的咱41 .20土0.05 IF叫剧厂i0 70+1 05 A 图Al;21 GB刷刷84I S主0I 955003 千2 飞丘旦旦2 30 U.i :1L r倒何20川。眈图A2注2Z孔是应

17、变片导线I出孔。、二归B.1 试验设备GB 4161-84 附录B断裂韧度试样瘟劳裂纹的制备（补充件）B .1 .1 预制疲劳裂纹用的设备应保证应力在试样厚度；j向上均匀分布，并且在预期的裂纹扩展面两但对称分布，以保证裂纹前缘均匀向前扩展，且裂纹不偏离预期的扩展方向。B .1.2 试样在所用设备上加载时，其Ki标定的误差应不大于5%。KI标定，指应力强度因f与试样尺寸、载荷或某一规定的位移间的关系式回本试验方法所推荐的试验夹具同样适用于制备疲劳裂纹。当采用这些夹具时，各类试样的K1标定列于附录C、D、E、F中。如果采用不同的夹具，则应通过试验确定使用这类夹具时的K，标定。用实验法确定K，标定比

18、用数值分析法优越，因为前者能准确模拟实验夹具的边界条件。三点弯曲试样最好用与断裂韧性试验相同的底座预制疲劳裂纹，这样K1标定比较准。如果在悬臂弯曲反向加载的情况下使用t点弯曲的K,标定，误差就比较大。而且夹持试样的夹持力的分布对Ki标定有影响，当夹持力过大时，裂纹顶端的应力场会发生畸变并改变疲劳裂纹的走向。B.2 试样B .2 .1 试样预制疲劳裂纹时的热处理状态应当与做Kle试验时的热处理状态完全致。B.2.2 疲劳裂纹引发缺口的形式见图8，缺口根部半径应满足5.3.3款的要求。裂纹长度控制在0.SW 左右，并满足5.3.4款的要求。B .2 .3 为了加速疲劳裂纹的引发可以采用下列方法zB

19、.2.3.1 和l备非常尖锐的缺口，或采用山形缺口。B.2.3.2 对缺口顶端预先施加压力，使缺口锐化，施加的压力不应使试样强度比小于1 B.2.3.3采用负值疲劳载荷比，当最大疲劳载荷已定时，负值载荷比的绝对侦越大，引发裂纹越快。但采用负值载荷比肘，所用夹具要比正值载荷比时复杂得多。B.2.4 在试样的两个侧面上，垂直于裂纹扩展方向用铅笔或其它工具画两条线，其与0.5W相对应，另一条线距缺口较近，与第一条线间的距离应不小于缺口加疲劳裂纹总长度的2.5%，目110.012s叭B.3 预制疲劳裂纹B.8.1 预制疲劳裂纹时可以采用载荷控制，也可以用位移控制，但Kie标定对所用试样及夹具的准确度应

20、不低于5%。如果循环载荷保持恒定，则最大Ki值和Kr的幅度将随裂纹长度的朋加而增加，若循环位移保持恒定，则最大K1值和K1的幅度将随裂纹长度的增加而减少。B.3.2 预裂纹开始时的最大疲劳载荷应使应力强度因子的最大值不起过材料kle估计值的80% 疲劳载荷的最低值应使最小载荷与最大载荷之比在1 Juo.1之间。B.3.3试样应准确地放置在加载夹具上，并应保证其边界条件与所使用的K1标定相致。预制裂纹时，一般采用正弦波加载，频率多为实际k；可以达到的最高频率。在不存在有害介质的情况下，只要频率不垣过lOOHz就不会对疲劳预裂纹的形成产生明显的影响。预制疲劳裂纹的总循坏周次在10.10之间。B.8

21、.4 当疲劳裂纹长大到B.2.4条所画的标线位置时，应当减小最大载荷或位移，使裂纹扩展最后阶段（即在裂纹总长度最后的2.5%的距离内，使疲劳循环应力强度因r的最大值Krm飞60%儿，,_ GB 4161-64 并且KJma/EU斗支承粮尺寸图C2弯曲试样支座c . 试验步骤i式样l先头一一二立:.z_斗，w一月Hf阻止弹黄或相监皮到c . 1 尺寸测量，在缺口附近至少三个位置上测量试梓宽度W，准确到o.002smm或0.1% w （取其大者，计算平均值。从触口边到裂纹前缘测裂纹长度a，有关测量的一般要求见6.2条。c . 2 弯曲试样的试验c . 2.1 安装试验夹具，使加载线通过跨距的中点，

22、偏差小于跨距的I%，如跨距为JOOmm，则偏差应小于lmm。测量跨距，准确到名义长度的0.5%。c . 2.2 放置试样，使裂纹顶端位于跨距的正中，准确到跨距的I%，同时试样应与支承辑垂直，偏差在土2。以内。并保证支承棍和压头与试样的接触面互相平行，偏差不得大予o.002w,c .4 .2 .a 安装引伸计，使刀口与引伸计的凹槽配合好。使用附加刀口时，应先装上引伸计，然后再拧紧刀口上的定位螺钉。C.4.2.4试样的加载速率应使应力强度困子速率在0.552.75MPa mt /s(J. 778.87kgfmm才s)之间。对于2smm厚，W=2B的标准试样，相应的加载速率在0.28l.43kN/s

23、(29 146 kgf Is）之间。C.4.2.5 有关试验记录的详细规定见6.4条。C.5 计算c .5 .1 按7.1条确定P, 226 GB 4161-114 c .5.2 关于载荷比Pmaa/P，和试样尺寸的有效性条件见7.2、7.3条。c .5 .3 计算LC.5.3.1 标准三点弯曲试样和S/W=4,la!W o.ooo 0 450 2.24 0.460 2.30 0 470 2.37 0. 480 2.44 0 490 2.52 0 500 2.60 0 510 2 69 0 520 2.78 0. 530 2.87 0. 540 2.97 0.550 3.08 a/W o.oo

24、o 0.450 2. 31 0 460 2.38 0 470 2.45 0 480 2.53 。.490 2 60 O.SOQ 2.69 。.5102.77 0 52il 2.86 o. 530 2. 96 。.54 0 3. 06 。.550 3 16 : f (a/W ) ( DI) ( 2 +a/W)(0.886+4.64a/W 13.32a/W +14.72a/W -5.“W门(1 -a/W) !: p ，一一按7.1条确定的负荷，kgf1B一按6.2.1款测定的i式样厚度，mm1W一按D.4.1规定测定的试样宽度，mm,a一一按6.2.3款测定的裂纹长度，mmo为便于计算，将a/W=

25、 O. 4500.550所对应的正（）值列于下表。紧凑拉伸试样的？（吝）a/W f(a即0 450 8.34 0,455 8.46 0.460 8.58 0.465 8.70 0.470 8.83 0.475 8.96 0.480 9. 09 o. 485 9.23 0,490 9. 37 。.495 9.51 0.500 9 66 D.5 .4 紧凑拉伸试样的试样强度比按F式计算R 2 Pm元（2 W+a) - B (W-a)2y 式中sPm一试样所能承受的最大负荷，B一按6.2.l款测定的试样厚度，W一按D.4.1规定测定的试样宽度，a，一援6.2.3款测定的裂纹长度go，一拉伸屈服强度。

26、2。a霄0.505 0.510 o.515 o. 520 。.525 0.530 o. 535 0. 540 0. 545 0. 550 D .5.3条给出的K，表达式在a/W从0.21的整个范围内，准确度在土。.5%以内。f (a/W) 9.81 9.96 10 12 10.29 10.45 10.63 !0.80 I0.98 11.17 11.36 ( 02) 2主1GB 4161 84 附录EC形拉伸试样试验的具体要求（补充件E.1 试样E.1.1 W/B 2的两种标准C形拉伸试样的常用比例示于图E.1。对r/ r未）Jll限制，但r,/r，o的实心圆柱体应采用圆形紧凑拉伸试样见附录F）

27、。C形拉伸试样只适用于空心圆柱休。E .1 .2 C形拉伸试样只能测定C-R取向即裂纹面的怯线是圆周方向，裂纹扩展方向是径向的断裂韧度。其它取向，应采用弯曲（附录C）或紧凑拉伸试样附录D）。E .1 .a比值X/W 0.5的C形拉伸试样见图E.l(a）】是个半环形，比值X/W二0的C形拉伸i式样见图E.1 ( b）是从圆环上所能截取的最小尺寸的C形拉伸试样。E .1 .4非标准C形拉伸试样的Z P，一按7.1条确定的负荷，kgf,B 一按6.2.l款测定的试样厚度，mm,W一一按F.4.1.2款测定的试样宽度，mm,a一按6.2.3款及F.4.1.2款测定的裂纹长度，mmo为便于计算K，将a/

28、W= 0.450 -o. 5唱。所对应的f( a/W）值列于下表。 F .5.3条给出的K，表达式在a/W从0.2 I. 0的整个范围内，准确度在0.3%以内。cJR GB 41刷84圆形紧凑试样的f(a/W) a/W f (a/Wa/W 0.450 8.71 II 0.505 o. 455 8. 84 | 0.510 o. 4曲8.97 。.515 o. 4臼9.11 。.520 。，4709.25 0.525 0.475 9.40 o. 530 0.480 9.55 o. 535 0.485 9.70 0.540 0.490 9.85 o. 545 0. 495 10.01 0.550 0

29、.500 10.17 F .1.4 圆形紧凑拉伸试样的试样强度比按下式计算R,c 2 Pm5(Kie，），P，川军P，值等于或小于G.4.2.2款的规定值，可以认为试验结果有意义。如果K，值等于或大于Kle的规定债，可以认为材料满足技术条件的要求巳G.4.2.2 关TPma/ P，的补充规定。对于厚度。.25W0.40 1. lO o.ao0.00032m击，但分别小丁480 % K IC和0.00038mt，可以认为试验结果有意义。如果K，等于或大于KIC的规定值，r以认为材料满足技术条件的要求。G.4.2.4 关于裂纹长度的补充规定。如果裂纹长度在0.450.55W的有效范围之外，但在o.400.60W范围以内，试验结果尽管无效但街意义。如果K，等于或大于K1 c的规定值，可以认为材料满足技术条件的要求。G .5 报告G .5. I 报告中应包括第8章所列内容。G .5.2报告中还应说明把无效试验结果如j为有意义断裂韧度的原因。G .5.3 为了材料鉴定和批量交货，一般不需要完整的报告。附加说明：本扣、准由中华人民共和国冶金工业部提出。本标准由冶金工业部钢铁研究总院负责起草。本标准主要起草人姚衡。日本标准实施之日起，原冶金工业部部标准YB947-78金属材料半面应变断裂韧性kr试验方法作废。 l I