GBT19744-2005铁素体钢平面应变止裂韧度KIa试验方法.pdf 25页

'IHCS2277.040.10荡黔中华人民共和国国家标准GB/T19744--2005铁素体钢平面应变止裂韧度KI。试验方法Determiningplane-straincrack-arrestfracturetoughness,KI。，offerriticsteels2005-05-13发布2005-10-01实施率替留瞥臀瓣瞥壕臀臀暴发布 GB/T19744-2005前F刁本标准修改采用ASTME1221-96《铁素体钢平面应变止裂韧度K,。试验方法》。本标准根据ASTME1221-96重新起草。为了方便比较，在附录D中列出了本标准章条编号与ASTME1221-96章条编号的对照一览表。考虑到我国国情，在采用ASTME1221-96时，本标准做了一些修改，有关技术性差异已编人正文中并在它们所涉及的条款的页边空白处用垂直单线标识。在附录E中给出了这些技术性差异及其原因的一览表以供参考。为便于使用，本标准还做了下列编辑性修改：a）单位采用国际单位制；b)载荷符号由P改为F，裂纹嘴张开位移符号由S改为V;c）增加了第4章；d)删去ASTME1221-96的参考文献；e)标准中的图均按我国绘图习惯绘制。本标准附录A是规范性附录，附录B、附录C、附录D和附录E是资料性附录。本标准由原国家冶金工业局提出。本标准由全国钢标准化技术委员会归口。本标准起草单位：钢铁研究总院。本标准主要起草人：高怡斐、张庄。 GB/T19744-2005铁素体钢平面应变止裂韧度KI。试验方法1范围本标准规定了铁素体钢平面应变止裂韧度K,。试验方法的符号、定义、试样、试验设备、试验程序、试验结果的处理和计算以及试验报告。本标准适用于侧面开槽，裂纹线楔形加载试样，在裂纹前缘获得拉伸断裂的快速止裂部分；本标准提供了裂纹止裂后短时间内的应力强度因子的静态分析方法。估计值定义为K=，当尺寸满足要求时，估计值为该材料的平面应变止裂韧度值K,_本标准适用于室温、低温和高温条件下用紧凑止裂试样（CCA）测定铁素体钢的平面应变止裂韧度K,a，并提供了评价拉伸断1表面可接受程度的方法和止裂裂纹长度的测定方法（见附录A)o本标准要求试样平面尺寸足够大，允许对试样进行模拟线弹性分析，厚度要满足平面应变条件。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法（eqvISO6892:1998)GB/T229--1994金属夏比缺口冲击试验方法（eqvISO148:1983,ISO83:1976)GB/T6803-1986铁素体钢的无塑性转变温度一落锤试验方法GB/T8170数值修约规则GB/T10623金属力学性能试验术语GB/T12160-2002单轴试验用引伸计的标定（ISO9513:1999,Calibrationofextensometersusedinuniaxialtesting，IDT)ISO12737一1996Metallicmaterials-Determinationofplane-strainfracturetoughness3术语和定义GB/T10623确立的以及下列术语和定义适用于本标准。3.1裂纹止裂断裂韧度crack一arrestfracturetoughnessK,裂纹刚刚止裂时的应力强度因子值。3.2平面应变裂纹止裂断裂韧度plane-straincrack-arrestfracturetoughnessK,。裂纹前缘处于平面应变状态下的裂纹止裂韧度值。3.3平面应变裂纹止裂断裂韧度条件值conditionalvalueoftheplane-straincrack-arrestfracturetoughnessKQ.根据试验结果计算得到的K,。条件值，还需进行有效性判据。 GBJT19744-20053.4裂纹启裂应t强度因子stressintensityfactoratcrackinitiationKa快速断裂开始时的应力强度因子值。4符号本标准所用符号、名称及单位见表to表1符号、名称及单位一 GB/T19744-20055试验原理当结构存在韧度或应力梯度时，裂纹可能在低韧度或高应力区启裂（或在两者共存的条件下启裂），在高韧度或低应力区（或两者共存的另一区域）止裂。一个快速扩展裂纹在很短的时间间隔内止裂时的应力强度因子值是衡量裂纹在该种材料止裂的能力。这种应力强度因子值使用动态分析方法确定，该值提供了定义为KA的裂纹止裂断裂韧度值。静态分析方法比较简单，可以在裂纹止裂后约1ms-2ms之内确定K值。这种方式得到的裂纹止裂断裂韧度值的估计值被定义为K.。当宏观动态效应较小时，K,和K。之间的差别也很小。在裂纹前端处于平面应变的条件时，裂纹扩展的动态效应也很小。借助实验尺寸的试样就可以得到裂纹发生止裂时的K1。值。6试样6.1试样形状适合中、低强度钢的CCA标准试样如图1所示。6.2试样尺寸6.2.1厚度B应为板材全厚度或满足平面应变条件的足够厚度。6.2.2试样侧槽深度为B/8。缺口顶端为脆性合金，缺口脆性焊接后，在试样的上下两面开侧槽。6.2.3CCA试样的宽度范围为：2BKo,KQ(KI.）的计算值；J）有效性判据；k）热着色断口显示严重的不规则性时，实验报告应附断口照片。 GB/T19744-2005附录A（规范性附录）评价断口表面接受程度和测定止裂裂纹长度的指南A.1引言A.1.1裂纹止裂试样的理想断口应该是平坦的，连续的；前缘是平直的。如图A.1和图A.2所示。但是，止裂试样的断口可能会因为以下原因而变得复杂化，断口表面特征过于复杂，可能导致对被测材料止裂韧度的结果产生怀疑。本附录为从断口形貌判断试验结果是否代表被测材料提供指南。本附录也为不规则裂纹前缘试样测定止裂裂纹长度提供了指南。黔鬃图A.1CCA试样的理想断口图A.2CCA试样的理想断口A.1.2偏离理想断口形貌的特征通常分为以下三类：剩余韧带的出现，裂纹前缘不直，裂纹扩展方向远离侧槽平面。以上特征可能一种或多种不同程度地出现，对试验结果的负面影响不能够在当时很容易地判定。本附录的目的是为判定断口可接受程度的评估方法提供基础，为想得到止裂断裂韧度数据者提供一套指南。能否接受断口的判定取决于试验操作和评估人员的判断。A.1.3依据经验对断口进行最后判定或综合考虑材料在试验温度下的特殊性能。然而，所有试样任何程度上的断口不规则性都有可能导致试验结果被判废。这不仅会降低成功率，导致有效试验数很少，而且可能在某些条件下，例如在被测材料转变温度范围试验，可能会排除掉所有试验。A.2断口的可接受度A.2.1剩余韧带A.2.1.1对于很多钢，快速断裂表面经常保留未断部分。这些未断区域，定义为韧带，在较高温度和较高韧度水平更容易观察到。在大的结构试验和本试验方法所用试样上都能观察到未断的韧带。A.2.1.2在转变温度范围内，断口的韧带是由于非平面区域之间的解理及连接孔断裂而成。然而，达到断裂的应变不可能在止裂之前，结果是一个韧性断口。这些韧带经常是剪切型的，并不总施加附加的闭合力。剩余韧带对裂纹扩展的影响程度不能确定。较早的裂纹止裂倾向（得到较大的KjT）导致实验 GB/T19744-2005室试验用中等尺寸试样的K工。比实际工程部件的K1。要大。A.2.1.3为了评价本方法试验的CCA试样剩余韧带对断裂行为的影响，有必要区分在整个断口剩余韧带的分布情况和一个或多个大韧带有可能存在的情况。对利用本方法显示过大剩余韧带的试样应该不予考虑。单一的，大的未断韧带（断口热着色颜色较浅的区域）的两个例子如图A.3和图A.4所示。这两个例子的试验结果比起相同材料在相同条件下的其他试验结果要高。矍1图A.3CCA试样显示大的横向图A.4CCA试样沿粉裂纹扩展方向大的剩余韧带的断口剩余韧带断口A.2.1.4当韧带形貌呈分散状态时，剩余韧带的面积过大，无法提供有代表性的KI。值。试样的韧带是材料试验温度下的典型代表的唯一办法是，在相同条件下做大量试验，建一个观察基准。将每个试样的结果与基准数据比较，这样就比较容易判断断口形貌是否与典型的试验结果一致。不可能通过大量试验去建一个基准，这样就很难判断一个特殊试样的韧带能否代表该材料温度下的试验。一般来说，试验温度低于被测钢材的无塑性转变温度，不出现或很少出现韧带（这里提到的转变温度是按照GB/T6803-1986测定的无塑性转变温度或按照GB/T229测定的夏比冲击能量随温度变化的曲线过渡部分的下平台温度）。试验温度升高到极限时，脆性焊接CCA试样脆性断裂时（高于无塑性转变(NDT)温度300C^-400C)，将近50％的断口部分是剩余韧带，这时提供的KI。值仍然可以接受。本方法的目的就是将剩余韧带占断口面积的50％认为是上极限，超过该极限值，试验结果将不予考虑。A.2.1.5CCA试样的断口形貌随韧带的分布程度而变化，如图A.5，图A.6和图A.7所示。图A.5的韧带程度较小。图A.6显示的韧性断口形貌较强，但韧带化倾向并不能完全成为取舍结果的依据。图A.7的断口显示了可接受的极限边界，取舍将与A.2.1.4的基准数据相比较，作出判断。A.2.2裂纹前缘缺乏平直度A.2.2.1非理想特性划分为以下两类：倾斜的裂纹前缘，裂纹前缘弯曲（象隧道）。A.2.2.2裂纹前缘倾斜不严重时，对止裂试验不会造成影响。裂纹前缘与试样侧边倾斜的角度在450以内时，试验结果与基准数据吻合得较好，见图A.8和图A.9。裂纹前缘倾斜的角度超过45“时试验结果判为无效（裂纹前沿倾斜主要是由于不适当的机加工、对中、润滑或加载装置、试样以及垫块所引起。如果必要，这些都应该仔细检查和校准）。A.2.2.3裂纹前缘的过度弯曲是依据断口形貌舍弃试验结果的另一个原因。当裂纹只在试样中心扩 GB/T19744-2005展时的主要问题就是断口边缘留下相当大的韧带，但是裂纹平面仍保留在侧槽平面，即在净厚度Br,平面内（裂纹在侧槽以外平面扩展见A.2.3)。上述情况在有限的程度内存在时，对试样的止裂韧度值并无明显影响。同样，断口的韧带形貌分布在极限程度之内时并不影响试验结果。主要考虑是，韧带分布超过极限时，断口就不能代表结构的断裂，这是由在裂纹平面边缘甚至在侧槽边缘较低的三轴应力约束引起的。如果在试样断口边缘裂纹过度弯曲产生相当大的剩余韧带时，止裂韧度值会很高，该结果应舍弃。翼tranr"图A.5显示非常少的剩余韧带的CCA试样的断口图A.6显示适中的剩余韧带的CCA试样的断口哪`rr,..t}awrfir-.;}Cfi.ut,:.图A.7显示很多的剩余韧带的CCA试样的断口图A.8显示倾斜的直裂纹前缘的CCA试样的断口 GB/T19744-2005矍n?`,rv.,}`U_`.".}rr}}LfOSy图A.9裂纹前缘倾斜的接近直的图A.10裂纹前缘弯曲但可接受的CCA试样的断口CCA试样的断口A.2.2.4图A.10和图A.11显示了裂纹弯曲，裂纹面仍旧在侧槽平面的例子。图A.10的断口可以接受，图A.11的断口不能接受。A.2.3平面外的裂纹扩展A.2.3.1如果裂纹扩展平面与侧槽平面的倾斜角度大于100，或者裂纹平面完全在试样中心平面以外，试验结果应舍弃。A.2.3.2如果裂纹扩展平面轻微偏离试样中心平面，试样净厚度以外部分在止裂发生时并未断裂，断口前缘弯曲，如图A.12和图A.13所示，以上断口特征可以接受，这是因为断口边缘的韧带弯曲并不受侧面开槽的材料的限制。因此止裂时它们能够弯曲，或多或少地扩展。A.2.3.3对于裂纹几乎完全在侧槽平面以外扩展的极端情况，不管净厚度平面以外的区域是否断裂，都应舍弃该结果。由于该原因不能接受的断口如图A.14和图A.15所示。A.3止裂裂纹长度a。的测定A.3.1按7.6.2的要求，在1/4BN,1/2BN,3/4B、处测量止裂裂纹长度，取三点测量平均值。在每个位置的测量应取裂纹前缘位置的视觉平均值。A.3.2视觉平均避免单点测量，单点测量不能准确代表裂纹前缘附近测量的平均位置。为了便于分析，先假定裂纹前缘是平直和光滑的。视觉平均方法是以测量带的宽度上取平均值作为裂纹尖端位置（已断材料和未断材料的分界）。视觉平均方法具有一定程度的保守性，因为该方法计算的应力强度因子随裂纹长度的增加而降低。A.3.3止裂裂纹前缘的不规则性见图A.1到图A.15。止裂裂纹长度测定不同程度的复杂性见图A.16，图A.17，图A.18。上述三个例子，显示了宽度为BN/4的三个条带宽度，在三条中心线的每一条上都得到了裂纹长度。裂纹前缘的视觉平均位置在每一个条带都已得到。三个裂纹前缘的视觉平均位置与试样加载孔中心的距离已在图上标出。随后的计算取三个位置测得的裂纹长度平均值为止裂裂纹长度add GB/T19744-200es8Fr}}dp.I5}19}:EnpZf"F}>Syi图A.11不能接受的裂纹前缘弯曲的图A.12裂纹开始扩展平面偏离试样中心面但CCA试样断口仍在净试样厚度平面内的CCA试样断口J`JF图A.13裂纹扩展平面远离试样中心面但大部分图A.14裂纹扩展平面远离试样中心面并沿仍在净试样厚度平面内的CCA试样断口试样原厚度的一侧断裂的CCA试样断口 GBJT19744-2005,vimr<图A.15裂纹弯曲，在试样中性面以外扩展图A.16倾斜的裂纹前缘，有少，韧带的断口上几乎全部都在侧槽以外的CCA试样断口测定止裂裂纹长度示例魄ir图A.17不规则倾斜的裂纹前缘有适度韧带的图A.18极不规则的裂纹前缘和很多韧带的CCA试样上止裂裂纹长度测定CCA试样上测定止裂裂纹长度 GB/T19744-2005附录B（资料性附录）缺口前端制备技术指南B.1脆性焊接技术制备CCA试样缺口前端B.1.1GB/T6803-1986所述的焊接工艺过程对于本标准要求的脆性焊接都是适用的，这里针对脆性焊接的CCA试样做了一些修改。主要区别是GB/T6803-1986试验方法针对平板试样，而本标准所用的CCA试样是在试样两表面开一个有一定曲率半径的狭缝。B.1.2脆性焊接技术要求裂纹前端的缺口具有足够的宽度，能够使焊条到达狭缝的底部。缺口可以通过在以a。需要的位置为中心钻一个孔，用锯片切到钻孔的位置来实现。焊接时使用起弧和收弧板。单焊道焊接形成一较平的表面，便于后续的缺口机加工。经验表明脆性焊接没有引人严重变形。然而，轻轻的表面研磨还是必要的。缺口机加工成图2所示的缺口，根部半径为0.25mm-0.38mm，或者更大一些。B.1.3GB/T6803-1986指定的D127焊条是合乎要求的。允许使用其他类似性能的焊条。借助钨极氢弧焊或电子束焊工艺对缺口根部的脆化方法已经证明是成功的。对于缺乏经验的焊接人员建议使用推荐的焊条，并且建议先在平板上和类似被测试样的缺口样品上练习几次。B.1.4借助下列方式，裂纹前端的D127焊肉能有效地附着在止裂试样内：a)焊接之前将试样退磁；b)使用直流焊机；c)短弧；d)焊接电流为25A-200A;e)焊速约为100mm/min;f)使用起弧、收弧板；9）一次起弧完成焊接。使用D127焊条焊接时，轻微摆动焊条；对于表面状态良好的D127焊条，也应在250t-350℃之间干燥1h-2hoB.1.5焊缝内的裂纹形貌并不决定焊缝金属作为裂纹前缘是否成功。焊缝内开缺口可能会去掉裂纹。然而，即使开缺口时没有去掉焊接裂纹，许多情况下，裂纹化的D127焊缝也成功地引发了快速扩展的裂纹。实际上，非稳定裂纹引发之前，最初的焊接区受力时就能观察到可见裂纹。可以假设起裂主要由焊肉下面的热影响区的硬化部分控制，并不是焊肉引发裂纹。脆性焊接是否满足需要，主要凭经验来判断。脆性焊接过的试样通过机加工去掉先前含缺陷的焊接区后还能够再重新焊接，裂纹就可能出现在热影响区。因此，使用D127焊条时，将试样在150℃预热，可能都是有帮助的。B.2其他缺口前端制备技术B.2.1V型缺口淬火法就是将V型缺口试样垂直放人水浴中，缺口尖端保持在水面之上。用焊枪对缺口底部加热，直至缺口底部快要融化，然后将缺口底部放入水中。这样在缺口底部产生了快速引发裂纹扩展的脆性区。B.2.2利用大电流焊接设备对CCA试样裂纹尖端处整个厚度上施加电流。CCA试样形成了自淬火脆性区，在脆性区加工缺口引发裂纹。B.2.3在CCA试样的加载线，远离试样的中心（加载孔）位置加工额外的孔洞，供预制疲劳裂纹时用。 GBJT19744-2005提高温度足以避免脆性裂纹的萌生，对CCA试样施加载荷高于启裂载荷，使疲劳裂纹尖端产生钝化。实际上，这是一种疲劳预制裂纹的热预应力法。在随后的止裂试验中，试样展示的裂纹启裂水平高于材料脆性断裂韧度水平，但低于热预应力时的韧度水平。这对于启裂韧度值很高、止裂韧度值很低的材料是有益的。 GB/T19744-2005附录C（资料性附录）准确度与系统偏差C.1准确度借助round-robin试验计划得到的准确度结果见表C.1。表C.1针对具有很强温度转变特性的材料。尽管这些材料的变异系数对温度并不敏感，但由于可试验的转变温度范围较宽，KI。的分散度较大。被测材料具有明显的非均匀性，当试验不同尺寸的试样时，尺寸效应很明显，与大试样相比小试样的分散度较大。表C.1round-robin试验计划得到的三种钢材的KI。的平均值和标准偏差’万州C.2系统偏差对于任何材料，没有可以接受的平面应变止裂韧度的标准值。系统偏差不可得到。 GBIT19744-2005附录D（资料性附录）本标准章条编号与ASTME1221-96章条编号对照表D.1给出了本标准章条编号与ASTME1221-96章条编号对照一览表。表D.1本标准章条编号与ASTME1221-96章条编号对照表一 GB/T19744-2005表D.1（续）下 GB/T19744-2005附录E（资料性附录）本标准与ASTME1221-96技术性差异及其原因表E.1给出了本标准与ASTME1221-96技术性差异及其原因的一览表。表E.1本标准与ASTME1221-96技术性差异及其原因偿 GB/T19744-2005表E.1（续）一．．*0牛SWTiEMC%,?*"PtkO%tit11reo5协州'