【航空工业行业标准(HB)】 金属材料平面应变断裂韧度ＫＩＣ试验方法

中华人民共和国航空工业标准
HB 5142-96
金属材料平面应变
断裂韧度K试验方法
199609－13发布
易小牛标准保姆
199701-01实施
中华人民共和国航空工业标准
金属材料平面应变
断裂韧度Kc试验方法
主题内容与适用范围
HB5142-96
代替HB5142-80
本标准规定了测定金属材料平面应变断裂韧度的试验设备、试样及制备、试验程序和试验结果的处理。
本标准适用于在室温15～35℃条件下，用厚度大于或等于6mm的带有疲劳裂纹的三点弯曲 SE(B)、紧凑拉伸 C(T)、C形拉伸A(T)和圆形紧凑拉伸DC(T)试样,测定金属材料平面应变断裂韧度Kc值。当由于试样尺寸不足而不能得到Kc时，还可按本标准规定计算试样强度比Rsx值。
2引用标准
GB8170
GB12160
JJG139
金属拉伸试验方法
数值修约规则此内容来自标准下载网
引伸计标定与分级方法
拉力、压力和方能材料试验机检定规程3符号、名称及单位
本标符号、名称及单位见表1。
三点弯曲试样
紧凑拉伸试样
C形拉伸试样
圆形紧凑拉伸试样
三点弯曲试样的试样强度比
紧凑拉伸试样的试样强度比
C形拉伸试样的试样强度比
圆形紧凑拉伸试样的试样强度比试样强度比
泊桑比
中国航空工业总公司1996一09－13发布单位
1997-01-01实施
C,或ao.2
试样宽度
试样厚度
试样韧带尺寸
弯曲试样跨距
HB 514296
续表1
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
C形拉伸试样的内半径
C形拉伸试样的外半径
C形拉伸试样加载孔的偏置尺寸
圆形紧凑拉伸试样的直径
圆形紧凑拉伸试样的半径
平断口部分的宽度
疲劳裂纹长度
裂纹长度（机加工缺口长度加疲劳裂纹长度）裂纹嘴两侧刀口张开位移
裂纹嘴两侧刀口最大张开位移
试验载荷
条件载荷
试样所能承受的最大载荷
最大疲劳载荷
最小疲劳载荷
弹性模量（平面应力条件E=E）
有效弹性模量(平面应变条件E=E/(1-))材料的拉伸屈服点或非比例伸长应力加载速率
应力强度因子
平面应变断裂韧度
Kic的条件值
预制疲劳裂纹时的最大应力强度因子预制疲劳裂纹时的最小应力强度因子应力强度因子幅度(AK=Kmx-Krrin）应力强度因子速率
试样几何形状因子
MPam -1/2
MPam-1/2/s
4定义
HB 5142-96
4.1应力强度因子K一线弹性介质中，I型裂纹顶端的应力场强度。K,= limg,(2元r)1/2
式中：一垂直裂纹面的主应力；一计算出的有效应力所在位置到裂纹顶端正前方的直线距离。4.2平面应变断裂韧度Kic应力强度因子K,的临界值，它表征材料抵抗裂纹失稳扩展的力，是度量材料韧度好坏的一个定量指标。其中罗马数字I指I型裂纹及裂纹项端处于平可应变状态。
4.3试样强度比Rsx一此比值为无量纲量，它与试样所能承受的最大载荷、试样尺寸及材的屁服强度有关。各试样强度比的计算式见附录B,C,D、E(补充件)。与Kc值不同。该比1不是断裂力学指标。当K。不满足Kc试验有效性条件时,如果试样形状及尺寸相同，且最二载荷是由于裂纹显著扩展，而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性的相对度量。
5试验原理
5.1本标准采用带有疲劳裂纹的试样，在弯曲或拉伸加载下，自动地记录载荷与裂纹嘴的引开位移，即PV曲线，然后，在P-V曲线上，通过作图，确定出裂纹长度的表观扩展量为2（即作割线斜率(P/V)一0.95(P/V))时的载荷，将此载荷代入相应试样的K表达式中，计Kic的条件K。值,如果试验结果满足本标准规定的有效性判据，则Kg=Kic，否则,试验结果无效。
5.2本标准测得的Kc值，是表征在中性环境中，试样的裂纹前缘近似处于三轴拉伸平面！变状态，且裂纹顶端塑性区尺寸远小于裂纹尺寸时，材料所显示出的断裂抗力。材料的Kc值与加载速率和试验温度有关，本标准规定试样加载速率应使应力强度因速率在0.55～2.75MPam-1f2/s范围内。6实验设备
6.1试验机
本试验可以采用各种形式的试验机，但应备有自动记录装置并满足GB228中对试验及测量工其的各项要求。
6.2夹具
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B、Ce
6.3 引伸计
引伸计应能准确指示裂纹嘴标距间的相对位移，且能稳妥地安装在试样上。当试样断至时，引伸计能自行脱开而无损坏。图1是本方法推荐的双悬臂梁夹式引伸计安装示意图。讠3
细说明见附录A(补充件)。
整体加工的刀口
HB 5142 -- 96
电阻应变片
图1安装在整体刀口上的双悬臂夹式引伸计记录仪
6.3.1试样必须有一对精加工的力口，用来支持引伸计并作为测定裂纹嘴张开位移的参点，图2是试样整体形口的设计示例。图3是用螺钉固定的附加刀口的设计示例，其刀口1距为5mm，有效标长等于螺钉孔中心距2C加螺钉直径。图4是用快干胶粘贴的附加刀口白示例。
6.3.2引伸计标定：引伸计使用前，应用引伸计标定器或其它装置，校核其线性度，标定器每个位移间隔上的重复性应在0.0005mm以内。标定程序为：把引伸计装在标定器上，将引伸计的工作量程分成10个等间隔进行标定。然后取下引伸计，并重新装上，做第二次标定。如此至少标定三次，采用最小二乘法拟合直与每个位移读数间的最大偏差应不超过0.0025mm。8
注1－
HB 5142-96
45°<60
t. 1. 3 ~ 1. 5
1刀口间距与附录A中的垫块尺寸相对应。2引发缺口形状见图8
整体刀口设计示例
459<600
附加刀口
7螺钉头直径
最小0.8℃注1
缺口中心线信2.5~3.2注2
45°60°
1有效标长=2C+媒钉直径注；适用于10≤B≤18试样，对大试样应适当放大尺寸。图4粘贴刀口的示例
凡满足上述要求，且标长不超过各试样对标长的限制时（见附录B、C、D、E)，各种型式的引伸计均可采用。
7试样
7.1试样数量
HB 5142-96
通常同一一种状态的材料至少做3个有效数据或按有关标准规定的数量，因此加工试样日必须有3~6件。
7.2试样形状
试验形状示于本标准附录B.C.D、E。7.2.1标准试样的W/B=2。
7.2.2非标准试样的W/B不等于2,弯曲试样可选用1≤W/B≤4;其它试样可选月2≤W/B≤4。非标准试样的裂纹长度a也应在0.45W～0.55W之间。应当注意，非标准试的试验结果可能与标推试样的试验结果不一致。7.3试样尺寸
7.3.1平面应变断裂韧度试验所要求的试样尺寸与材料的断裂韧度/屈服强度的平方成比，因此本标准只给出试样的尺寸比例。7.3.2按照本标准规定，试样厚度B应大于2.5（Kc/c.)，如果坏料的形状、大小不可能提1厚度和裂纹长度都大于2.5(Kc/c)的试样，则不可能用本标准进行有效的Kc测量。7.3.3为了确定试样尺寸，应当预先估计一个材料的Kc值。当已知试验材料的K范围时建议取偏高的Kc值确定试样尺寸。如果估计不出材料的Kc值，可以根据/E值来选择试尺寸（表2)。除了韧性非常好的材料外，推荐表2的尺寸。当确知2.5（Kicc）2比表2的推尺小得多时，可以采用较小的试样。当测得有效的K结果后，可在随后的试验中将试样尺减小到a、B≤2.5(Kic/o)。
表2按/E值推荐试样最小厚度尺寸表o/E
0.0050--0.0057
0.0057-0.0062
0. 0062 ~0. 0065
0. 0065 ~ 0.0068
0.00680.0071
0. 0071 --0.0075
0. 0075~0. 0080
0.0080~0.0085
0.0085~0.0100
≥0.0100
7.4试样制备
最小厚度
HB5142-96
7.4.1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纹面取向和裂纹扩展方向。一般采用两个字母来标记，第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1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7。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一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一L试样T表示裂纹面的线方向，L为预期的裂纹扩展方向。LT
图6棒材及圆饼中裂纹面取向和
裂纹扩展方向的标记规定
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L一长度方向或主变形方向;R一径向方向;C一圆周或切线方向。如C-L试样C表示裂纹面的法线方向，L为预期裂纹扩展方向。
又如L一TS试样，L表示裂纹面的法线方向，在T和S方向之间为预期的裂纹扩展方向；TS-L试样，表示裂纹平面法线是T和S方向间的一个方向,L为预期的裂纹扩展方向。7.4.2试样的尺寸公差和粗糙度应满足本标准附录 B、C、D、E中图B1、C1、D1、E1的要求。7.4.3疲劳裂纹引发缺口共有四种形式（见图8)，山形缺口的根部半径小于或等于0.25mm7
HB 5142-96
其余缺口的根部半径应小于或等于0.08mm。7.4.4制备疲劳裂纹应满足下面两点要求：裂纹长度a应在0.45W～0.55W之间，疲劳裂纹在试样表面上的长度应满足图8中注1～3的要求。
8试验程序
8.1B和W的测量
8.1.1B的测量：从疲劳裂纹顶端至试样的无缺口边，沿着预期的裂纹扩展线，至少在三个等间隔位置上测量厚度B,测量精度不低于0.02mm,取三次测量的平均值作为B。8.1.2W的测量：按附录B、C、D、E中各试样的规定。8.2试样疲劳裂纹的制备
8.2.1疲劳试验设备
一般应采用正弦载荷控制或位移控制加载的疲劳试验装置，如循环载荷保持恒定，则最K的幅值将随裂纹长度的扩展而增加。如位移保持恒定，则最大K，值和K，的幅值将随裂长度的扩展而减小。任何一种加载形式都必须保持施加的应力在试样厚度方向上均匀分布并且在预期的裂纹扩展面两侧对称分布，以确保裂纹前缘均匀平直地向前扩展。8.2.2疲劳试验用夹具
本标准推荐的断裂试验用夹具均适用于制备疲劳裂纹。但均应通过试验进行K，的标定一般误差不应大于5%，通常可采用实验法和数值分析法确定，但前者能准确模拟实验夹具的边界条件。如三点弯曲试样，采用断裂试验相同的支座预制疲劳裂纹，K，标定比较正确，反，如采用悬臂弯曲反向疲劳加载，K，标定发生较大误差。8.2.3预制疲劳裂纹
8.2.3.1试样预制疲劳裂纹时的热处理状态，应当与做Kc试验时的热处理状态一致。8.2.3.2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，第一条与0.50W相近，第二条线与第一条线的距离应不小于缺口加疲劳裂纹总长度的2.5%。当现劳裂纹扩展到第二条线上时，应当减小最大疲劳载荷或位移，使裂纹扩展的最后阶段的最大疗劳应力强度因子的最大值Ktmx≤0.6KQo8.3断裂试验
8.3.1选定适合试验载荷范围的试验机，调整X-Y记录仪，确定合适的放大倍数，使记录由线线性部分的斜率在0.7～1.5之间，最佳在1.0左右，曲线的开始部分可能出现非线性，这是允许的。可采用预先加、卸载的办法改善。但加、卸载所对应的应力强度因子不能超过预制现劳裂纹最后阶段的应力强度因子水平。8.3.2选定合适的加载速率，通常在0.55~2.75MPam-1/2/s范围内。8.3.3进行缓慢的加载，绘制P-V曲线，如图9所示。通常在断裂韧度测试中有三种典型曲线。
疲劳裂纹
0.45W ~ 0.55w
山形缺口
HB5142-96
疲劳裂纹
注2和注4
8<90°
-0.45W ~0.55W
直通形缺口
疲劳裂纹注3和注
0-0. 45W ~ 0. 55W
末端为圆孔的缺口
一疲劳裂纹
0.45W0.55W
钼丝切割的缺口
(a）引发缺口和疲劳裂纹
(b）山形缺口的某些规定
中心线
± 0.00sw
1对于山形缺口，应该在试样的两个表面上都出现疲劳裂纹，A=C,偏差0.01W以内。2对于直通形缺口，试样表面上的疲劳裂纹长度应不小于0.025W或者不小于1.3mm，敢其中之较大者。
3对于末端为圆孔的缺口，从圆孔上的应力集中源算起，疲劳裂纹的扩展量应不小于0.050W或不小于1.3mm，取其中之较大者。4裂纹引发缺口应垂直于试样表面和预期的扩展方向，偏差在土2\以内。5缺口宽度N不小于1.6mmg
图8疲劳裂纹引发缺口的四种形式8.3.4当P-V曲线达到试样失稳状态后，即可卸下引伸计将试样拉或压断，以便测量裂级长度a值。
8.4a的测量：
试样断裂以后，在断口上测量裂纹长度a通常采用放大倍数不低于20倍的工具显微镜选行测量，其测量精度不低于0.01mm，并取沿厚度方向1/4B，1/2B,3/4B三处从缺口外边或力载线到裂纹前缘的长度平均值作为裂纹长度a,即a=（az+as+a)/3计算Ka。疲劳裂纹前应满足下列要求，否则试样应予报废。9
HB 5142-96
P-曲线
图10裂纹长度的测量位置
8.4.1a2ava4中任意两个测量之差不大于a的10%。o
8.4.2对于山形缺口，试样表面上的裂纹avas应从山形缺口根部产生。avas与 a之差不大于10%，且a1vas之差也不得大于a的10%。8.4.3对于直通形缺口,a1vas与 a之差不得大于15%,a1vas之差也不得大于a的10%。8.4.4裂纹面与BW平面应平行，偏差在士10°以内。8.5断口形貌观察
应注意每个试样的断口形貌特征。常见的断口形貌类型示于图11。10
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