【国家标准(GB)】 金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法

ICS77.040.10
中华人民共和国国家标准
GB/T21143—2007
代替GB/T2038—1991,GB/T2358—1994金属材料
准静态断裂韧度的
统一试验方法
Metallic materials--Unified method of test for determination of quasistaticfracture toughness
（ISO12135：2002.MOD)
2007-09-11发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
数码防伪
2008-02-01实施
规范性引用文件
术语和定义
符号和说明
般要求
稳定和非稳定裂纹扩展下的断裂韧度测定·次
-rIKAoNiKAca-
GB/T21143—2007
-△a和/-△a阻力曲线和稳定裂纹扩展下的启裂韧度80.2BL、Je.2B、0,和J，的测定试验报告：
测定结果的数值修约
附录A（规范性附录）
附录B（规范性附录）
附录C（规范性附录）
附录D（资料性附录）
附录E（资料性附录）
附录F（资料性附录）
附录G（资料性附录）
附录H（资料性附录）
附录I（资料性附录）
附录J（资料性附录）
附录K（资料性附录）
附录L（资料性附录）
裂纹面的取向
应力强度因子和柔度关系
裂纹扩展数据的拟合
.和J.的测定
试验报告实例
在三点弯曲试验中的施力点位移q的测量pop-in方程的推导
确定V及U的分析方法
单试样法指南
剖面法测定CTOD值：
本标准章条编号与ISO12135：2002(E)章条编号对照本标准与ISO12135：2002(E)技术性差异及其原因27
GB/T21143-2007
本标准修改采用国际标准IS012135：2002《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》（英文版）。本标准根据ISO12135：2002(E)重新起草，为了方便比较，在附录K中列出了本标准章条编号与ISO12135：2002(E)章条编号的对照一览表。考虑到我国国情，本标准在采用ISO12135：2002（E)国际标准时进行了修改，有关技术性差异已编入正文中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L中给出了技术性差异及其原因的一览表以供参考。
本标准代替GB/T2038—1991《金属材料延性断裂韧度J1c试验方法》和GB/T2358—1994《金属材料裂纹尖端张开位移试验方法》，与GB/T2038一1991和GB/T2358--1994相比对以下方面的内容进行了较大修改和补充：
一阻力曲线及特征值的测定以及数据点的分布；钝化线斜率的计算；
数据有效性的判定；
一测定结果的数值修约。
本标准规定的Jo.2Bt相当于原国家标准中的Jic本标准规定的8%.2BL相当于原国家标准中的.；本标准对另有定义应与原国家标准定义的严格区分。本标准的附录A、附录B和附录C为规范性附录。本标准的附录D、附录E、附录 F、附录G、附录H、附录I、附录J、附录K和附录L为资料性附录。本标准由中国钢铁工业协会提出。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、国营红岗机械厂、武汉钢铁公司、宝山钢铁股份有限公司、冶金工业信息标准研究院
本标准起草人：刘涛、高怡斐、李颖、青映德、李荣峰、丁富连、董莉。本标准所代替标准的历次版本发布情况为：GB/T2038—1980,GB/T2038-1991;GB/T2358—1980,GB/T2358-1994。1范围
金属材料准静态断裂韧度的
统一试验方法
KAoNKAca-
GB/T21143—2007
本标准规定了均勾金属材料在承受准静态加载时断裂韧度、裂纹尖端张开位移、J积分和阻力曲线的试验方法。试样有缺口，采用疲劳的方法预制裂纹，在缓慢增加位移量的条件下进行试验。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。凡是不注期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T8170数值修约规则
GB/T12160单轴试验用引伸计的标定（GB/T12160—2002，idtISO9513：1999）GB/T16825.1静力单轴试验机的检验第1部分：拉力和（或）压力试验机测力系统的检验与核准（GB/T16825.1—2002idtISO7500-1：1986)GB/T20832金属材料试样轴线相对于产品织构的标识（GB/T20832--2007，ISO3785：2006IDT)
3术语和定义
本标准采用下列术语和定义。
stressintensityfactor
应力强度因子
对于均匀线弹性体的弹性应力场的大小。注：应力强度因子是施加力、试样尺寸、几何形状和裂纹长度的函数。3.2
裂纹尖端张开位移crack-tipopeningdisplacement8
在预制疲劳裂纹尖端，裂纹两表面相对于原始未变形的裂纹平面的垂直位移。3.3
J积分J-integral
围绕裂纹前缘，从裂纹的一侧表面到另一侧表面的线积分或面积分，用以表征裂纹前缘地区的应力-应变场。
加载参数，相当于J积分，通过本标准方法测定其特征值（J。，J，J。等），用于表征不可忽略的裂纹尖端塑性变形条件下的断裂韧度。3.5
稳定裂纹扩展stablecrackextension在位移控制的试验条件下，位移保持恒定时，裂纹扩展停止或将停止时的裂纹扩展量。GB/T21143—2007
非稳定裂纹扩展unstablecrackextension失稳的裂纹扩展，之前可能有或者没有稳定裂纹扩展。3.7
pop-in
在力-位移曲线上的突然不连续性，通常表现为位移的突然增加伴随力降低。注1：位移和力的数值在发生pop-in之后仍会增加且会超过发生pop-in之前的数值。注2：当利用本标准进行试验时，预裂纹平面的非稳定裂纹扩展可导致pop-in的发生，应将其与1)垂直裂纹平面的分层和撕裂；2)在三点弯曲试验中的支撑辊滑动或紧凑拉伸试验加力链中的销子滑动；3)引伸计安装不当；4)在低温试验下裂纹表面冰的破碎;5)力和位移的测量与记录设备的电子干扰等区分开。3.8
crackextensionresistancecurves(R-curves)裂纹扩展阻力曲线（R曲线）
8或随裂纹稳定扩展量的变化曲线。4符号和说明
本标准所采用的符号和说明见表1。表1符号和说明
标称裂纹长度
终止裂纹长度（ar=a+Aa)
即时裂纹长度
机械加工切口长度
初始裂纹长度
包括钝化区的稳定裂纹扩展量
8或控制的裂纹扩展极限
试样厚度
两侧槽之间的试样净厚度
试样的弹性柔度
试验温度下的弹性模量
施加的力
当Aa小于0.2mm钝化偏置线时出现非稳定裂纹扩展或pop-in时的力预制疲劳裂纹时的最大力
」积分的试验当量
当Aa小于0.2mm饨化偏置线时出现非稳定裂纹扩展或pop-in时的尺寸敏感断裂抗力J值（B为试样厚度）
控制裂纹扩展的上极限
稳定裂纹扩展开始时的」值
对于全塑性特性的第一个最大力平台对应的尺寸敏感断裂抗力J值（B为试样厚度）本标准方法定义的J-R材料特性的极限值符号
Jo.2BL(B)
MPatn/2
MPam/2
MPam/2
MPaml/2
表1(续）
-TiKAONrKAca-
GB/T21143—2007
当Aa等于或大于0.2mm钝化偏置线时出现非稳定裂纹扩展或pop-in时的尺寸敏感断裂抗力J值（B为试样厚度）
当稳定裂纹扩展无法测量时出现非稳定裂纹扩展或pop-in时的尺寸敏感断裂抗力J值（B为试样厚度）
稳定裂纹扩展对应的未修正的」值稳定裂纹扩展为0.2mm钝化偏置线时对应的非尺寸敏感断裂抗力J值拟合阻力曲线与0.2mm钝化偏置线的交点稳定裂纹扩展为0.2mm钝化偏置线时对应的尺寸敏感断裂抗力（B为试样厚度）应力强度因子
预制疲劳裂纹最后阶段的应力强度因子K的最大值平面应变断裂韧度
Kic的条件值下载标准就来标准下载网
施力点位移
在试验温度下材料在垂直于裂纹平面的抗拉强度在试验温度下材料在垂直于裂纹平面方向0.2%的规定非比例延伸强度跨距
试验温度
力和施力点位移曲线下的面积
U的弹性分量
U的塑性分量
力和缺口张开位移曲线下面积的塑性分量缺口张开位移
总缺口张开位移
V的弹性分量
V的塑性分量
试样宽度
用于测定缺口张开位移的引伸计装卡位置距离试样表面之间的距离裂纹尖端张开位移CTOD
当Aa小于0.2mm钝化偏置线时出现非稳定裂纹扩展或pop-in时的尺寸敏感断裂抗力8(B为试样厚度）
8控制裂纹扩展的极限值
稳定裂纹扩展开始时的断裂抗力？对于全塑性特性的第一个最大力平台对应的尺寸敏感断裂抗力（B为试样厚度）本标准方法定义的R材料特性的极限值当Aα大于0.2mm钝化偏置线时出现非稳定裂纹扩展或pop-in时的尺寸敏感断裂抗力8值（B为试样厚度）
GB/T21143—2007
表1(续）
当稳定裂纹扩展无法测量时出现非稳定裂纹扩展或pop-in时的尺寸敏感断裂抗力值（B为试样厚度）
裂纹稳定扩展的未修正的8值
稳定裂纹扩展为0.2mm钝化偏置线时对应的非尺寸敏感断裂抗力稳定裂纹扩展为0.2mm钝化偏置线时对应的尺寸敏感断裂抗力8（B为试样厚度）拟合阻力曲线与0.2mm钝化偏置线的交点消松比
注1：本表格只列举了主要用到的参数符号.其他参数符号将在相应的章节中予以说明。注2：除非特别说明，本表格所列举的各参数符号的数值均为试验温度下的测量或计算值。5一般要求
5.1总则
金属材料的断裂韧度可以表征为特征（单点）值（见第6章）或在有限的裂纹扩展范围内的连续曲线（见第7章）。用于测量断裂韧度的程序和参数随着试验过程中试样的塑性水平而发生变化。在试验过程中通过对试样塑性水平的逐步了解选用确定材料断裂韧度的试验程序和参数。在任何情况下，试验都是对试样缓慢地增加位移，测量试验过程中的力和位移，然后利用力和位移之间的关系通过特征化的裂纹扩展下的材料抗力测定断裂韧度。本标准提供了与所有断裂参数测定相关的试样的全部信息。本标准方法的使用流程图如图1所示。力随位移变化的特征曲线类型如图2所示。5.2断裂参数
断裂韧度的特征值是由单一试样定义的非稳定裂纹扩展或稳定裂纹扩展开始时的值。注，Kc表征尖裂纹的扩展阻力，并应满足：1)裂纹前缘附近处于平面应变状态;2)裂纹尖端的塑性区与试样裂纹尺寸、厚度和裂纹前缘韧带相比要足够小。Kic是上述条件下的断裂韧度非尺寸敏感的测量值。满足一定的有效性判据才能得到Kic的测量值。
。、.、oue、J。、J。和J也是材料阻止尖裂纹非稳定扩展抗力的特征值。然而，这些参数的测量值是尺寸敏感的，都与试样的厚度有关。因此在标注上述参数时都应以符号右下标的形式、以毫米为单位注明试样厚度。
当稳定裂纹扩展量很大时，试验程序和断裂韧度的测量应当按照第7章进行。稳定裂纹扩展特性可以用裂纹尖端张开位移80.28或断裂韧度J0.2mL表征，也可以用连续的或J阻力曲线表征。20.2BL和J。2.是非尺寸敏感的，并作为稳定裂纹扩展开始的工程估计值，不应与实际的启裂韧度值，和J：混淆。和J的测量参见附录D。
测定8a.2L和J.2n可以选用两种试验方法。多试样法试验需要几个标称尺寸相同的试样进行单调加载，每个试样对应不同的位移量，需同时测量并记录力和位移。试样裂纹前缘在试验后应进行标记（着色或二次疲劳），之后将每个试样破断成两半，在试样断口上测量稳定裂纹扩展最。铁素体钢试样的冷脆化特性有益于试样破断时裂纹前缘断口的保存。多试样法需要至少6个试样。当试样数量受限时，也可通过基于卸载柔度法或电位法的单试样法进行试验。如果能够保证足够的试验精度单试样法的采用是不受限制的，但应保持足够数量的试样。在任何情况下，0.2BL或J。.2u.和或了阻力曲线满足本标准规定的有效性判据，则试验结果是有效的。线弹性
Fo或F。
特征值
第6章
弹塑性
SuC(B)0m(B)
Fo或F
Ve或ye
总要求
第5章
JemJun)
Jao(a)dm(8)
试验投告
第8章
连续曲线
R曲线图
本标准方法的总流程图
Fo或Fa
Ye或q。
注1：F。是最大力，用于测定Kic的条件值（见图16)。注2：Fe、F.和Fm分别对应于&c、o,和8m或Je、J.和Jm。Fu
Ve或qa
注3：pop-in特性与试验机或试样柔度和记录仪的响应速率成函数关系。8断裂。
b pop-in。
阻力曲线
第7章
-iriKAoNiikAca
GB/T21143—2007
初始值的
工程估计
7.5节、7.6节
So.ZBLJa.2BL
So.2BL0o.Je.2BL.(m
Vm或qa
缺口张开位移（V）或施力点位移（q）图2断裂试验中力与位移记录曲线的特征类型5
GB/T21143—2007
5.3断裂韧度符号
断裂韧度符号指定如表2所示。
5.4试样
5.4.1试样形状和尺寸
表2断裂韧度符号
非尺寸敏感参数
试样的尺寸和公差应满足图3至图5的要求。2.3W
尺寸敏感参数
（特指试样厚度B)
80.2BL(B)
Du(B) ue(B) +Om(B)
Jo.2BL(B)
Ju(B),Ja(B),Jm(B)
/L0.004WA
MS000F
R曲线的极限
(Aamax）
B±0.005W
注1：引发裂纹缺口尖端的纵切面（A面）与试样左右两端面保持等间距且距离之差在0.005W以内。注2：可以采用整体刀口或附加刀口固定引伸计，见图8和图9。注3；初始引发缺口和疲劳裂纹的形状见图6。注4：1.0=W/B=4.0(推荐W/B=2)。注5，0.45=α/W=0.70。
a见图6、图7、图8和5.4.2.3。
图3三点弯曲试样的尺寸比例和公差6
0.275W±0.005W
0.6W±0.005W
0.275W±0.005W
MS000FM
0.6W±0.005W
TrKAoNiKAca
GB/T21143—2007
//0.002WL
注1：引发裂纹缺口尖端的纵切面（A面）与试样左右两面保持等间距且距离之差在0.005W以内。注2：可以采用整体刀口或附加刀口固定引伸计，见图8和图9。注3：初始引发缺口和疲劳裂纹的形状见图6。注4：0.8-W/B=4.0（推荐W/B=2)。注5：0.45=a/W0.70。
注6：可以选择的销孔直径为0.188W+g.004Wa见图6、图7、图8和5.4.2.3。
图4直通型缺口紧凑拉伸试样的尺寸比例和公差GB/T21143—2007
0.6W0.005W
0.375W±0.005W
A900'0Tm
0.6W±0.005W
注1：引发裂纹缺口尖端的纵切面（A面）与试样左右两端面保持等间距且距离之差在0.005W以内。注2：可以来用整体刀口或附加刀口固定引伸计，见图8和图9。注3：初始引发缺口和疲劳裂纹的形状见图6。注4:0.8-W/B-4.0（推荐W/B-2)。注5：0.145=a/W=0.70
注6：第二个台阶对于一些引仲计是没必要的：图6显示了疲劳裂纹前端缺口的包迹线图。注7：可以选择的销孔直径为0.188W+00W。当使用这个尺寸的销子时，最大缺口张开位移应增加到0.21W。a见图6到图8。
图5台阶型缺口紧拉试样的尺寸比例和公差试样形状尺寸的设计应当考虑可能的试验结果（见图1）、8或」断裂韧度值、裂纹平面的取向（见附录A)及被测材料取样的尺寸限制。注1：尽管对于」值需要特殊的测量步骤即测量施力点的位移，所有试样的设计（图3到图5）对于Kk、8和J值的测定都是适用的。表3提供了K测定所需的试样尺寸。注2：当在施力点测量缺口张开位移时，对于台阶缺口紧凑拉伸试样V=q（见图5）。这样的台阶缺口紧拉伸试样同样可以用于测定Ke、e和J。
注3：对于三点弯曲和紧凑拉伸试样，推荐试样的宽原比（W/B)为2，对于三点弯曲试样宽厚比可以为1~4之间，对于紧凑拉伸试样为0.8～4之间。数据表明W/B=4的试样R曲线的屈服略高于W/B=2的试样。8
表3K试验的最小推荐厚度
非比例延伸强度/弹性模量/(MPa/MPa)-0.0050~<0.0057
0. 005 7~<0. 006 2
=0. 006 2~≤0. 006 5
=0.0065~<0.0068
0,0068~<0.0071
0.0071~<0.007 5
=0.0075~<0.0080
0. 008 0~<0. 008 5
=0.0085~<0.0100
5.4.2试样制备
5.4.2.1材料状态
试样应当从最终热处理状态和(或)机械加工状态下的材料上截取。厚度/mm
rTKAoNiKAca
GB/T21143—2007
注1：当试样不能从其最终热处理状态下截取时，最终热处理可以在机械加工后满足了试样的尺寸、公差、形状和表面光洁度要求时，并充分考虑了由干特殊的热处理（例如钢的水率）而带米的试样尺寸变化等影响后进行。注2：残余应力可能影响准静态断裂韧度的测量。当试件从具有明显残余应力的区域截取时，影响是显著的。例如焊接件、形状复杂的型钢（如热模锻、阶段式挤压、铸造）等，它们不可能完全释放应力或有局部感应残余应力。从有残余应力的产品上截取的试样可能也有残余应力。在试样的裁取过程中可能部分释放或重新分配残余应力，残余应力的存在仍然可能导致试验数据的重大偏差。残余应力叠加到外加应力上，作用于裂纹尖端应力场，明显不同于单纯的外加力或位移。试样机械加工中的变形，试样几何形状的依赖性及在预制轰劳裂纹过程中的不规则裂纹扩展（例如裂纹前缘过渡弯曲或偏离扩展平面）经常是受残余应力的影响所致。在外加力为零时的缺口张开位移（裂纹闭合效应）表征残余应力的存在，并可能影响随后的断裂韧度测定。5.4.2.2裂纹面取向
在机械加工之前确定裂纹平面取向，并应与附录A和ISO3785标识保持一致，同时要记录试样和材料的其他信息，如试验报告E.1示例：试样、材料和试验环境（见附录E)。注：断裂韧度值与机加工的主变形方向、各向异性（晶粒流变）、裂纹平面取向和裂纹扩展方向有关。5.4.2.3机械加工
a）试样的缺口外形不应超过图6所示的包迹线。通过铣床加工的缺口底径不应大于0.10mm。通过锯、磨或火花腐蚀加工的缺口宽度不应大于0.15mm。试样缺口平面应垂直于试样表面，偏差在2°以内。
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