金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法 编制说明

《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》测技术股份有限公司、冶金工业信息标准研究院、……、等，计划完成时间为工作组及有关专家研讨后，对标准草案初稿进行了认真的修改，于2024年10将标准征求意见稿和编制说明发送到力学分委员会委员及有代表性的标准相关方广泛征求意见，同时在《钢铁标准网》网站上注意：如果标准草案涉及专利，在标准制修订过程中的任何阶段，均应附上《已披露的专利清单》广泛征求意见，并将反馈意见加以说明。鼓励没有参与国家标准制修订的组织或者个人在标准制修订的任何阶段披露其拥有和知悉的必要专利。一性、协调性、适用性、一致性和规范性的原则来进本标准修改采用ISO12135：2021《金属材料准静态断裂韧度的化文件的结构和起草规则》的要求编写。在确定本标准主要技术指标时，综合考1）在范围中增加焊接材料采用ISO15653和铁素体钢解理断裂采用ASTM2）本标准对原有过期引用标准进行了更新，GB/T12160-2002改为GB/T12160-2019金属材料单轴试验用引伸计系统的标定，ASTME1820-11删除年3）在第3章术语和定义中增加3.4J值的定删除JQ0.2BL、δQ0.2BL及其说明。其中Ap是GB/T21143-2014中为了通过三点弯曲试样8）增加试样残余应力处理的说明，并在断裂韧性结果中以上角标字母M验证试验论证其的合理性；2）对于钝化线斜率问题开展多家相关检测单位间的在ISO12315:2021中对于直通型缺口和台阶型缺口的紧凑拉伸试样其P-V两版ISO12315标准对于函数g4的公式的来源出处都是参考文献[15]KAPPdisplacementsforstandardfracture在ASTME1820中均采用平面应力条件计算，而ISO两版（3）ISO标准2021版中g4函数采用的系数对应原文献加载线（台阶型缺口用这个函数计算裂纹嘴张开位移和载荷的关系显然不合理且后的影响，我们选取直通型缺口（9件）和台阶型缺口（8件）两种类型紧凑图1P-V关系函数与实测数据对比式不同，但函数数据在a/w在0.45到0.7之间基本吻合误差在（3）直通型的实测数据与2016版g6符合性较好，如果对数据按照ISO（4）对V转q数据和台阶型数据按照平面应力条件进行修正时得到数据对于延性较好的金属材料评价其J-R阻力曲线并得到临上常用的试验方法。而在实际测试中经常遇到强度较低且延性较好的材料（如316L不锈钢、508-Ⅲ低合金钢等）不能按照标准推荐的方法得到有效试验数据目前ASTME1820标准体系推荐的钝化线方程为：J=(Rp0.2+Rm)Δa，而ISO为了研究材料的真实钝化线斜率，我们参考了ASTME1820-2009标提到的对钝化线进行标定修正的试验方法。但是在0.2J0.2BL（B）~0.6J0.2BL（B）范围目前，我们选取了2种低强度高延性试验材料进行验证试验工作，分别是图2台阶型紧凑拉伸试样图表1两种材料的拉伸性能材质抗拉强度屈服强度（Rp0.2断后伸长率（A）%Rp0.2/Rm弹性模量GPa泊松比316L不锈钢58022769.50.390.3NS3306高温合金84037055.00.442050.30.2J0.2BL（B）~0.6J0.2BL（B）之间。然后对试样进行加热着色，并利用二次疲劳或者据分布均匀。利用得到的有效数据进行线性拟合，得通过断裂韧性测试，分别获得了316L不锈钢和NS3306高温合金室温条件示。然后，分别按照ISO12135和ASTME1820标准对数据作进一步处理，得J-R阻力曲线如图3~图6所示。可以看出，同一种材料，不同标准体系得到的显差异，这主要归因于两种标准体系所采用的钝化表2316L不锈钢J-R阻力曲线测试结果试样编号厚度/mm净厚度/mm/mm裂纹扩展量/mm载荷/kNJ积分kJ/m2备注23CS040056-825.0049.823.08237.5902142.33423CS040056-425.0049.970.51434.650544.40623CS040056-525.0050.030.83637.068879.45023CS040056-625.0249.9237.5551121.03623CS040056-725.0250.150.53523.398564.59623CS040056-1125.0450.000.87638.448983.96123CS040056-1225.0149.980.19930.889446.13723CS040056-1325.0149.8429.9461225.90123CS040056-1425.0149.820.07222.389256.62923CS040056-1525.0149.790.02116.85944.02423CS040056-1625.0249.860.05320.994147.16623CS040056-1724.8449.820.10123.977334.14923CS040056-1824.9449.880.03719.41688.15223CS040056-1925.0949.980.09736.780239.919表3316L不锈钢经不同标准体系处理得到的断裂韧度测试数据标准ISO12315ASTME1820阻力方程J=1.3664+1036.7091•(Δa）0.668相关系数0.98420.9634特征值655特征值有效性无效无效图3ISO12315处理得到的316L不锈钢J-R阻力曲线图4ASTME1820处理得到的316L不锈钢J-R阻力曲线表4NS3306高温合金J-R阻力曲线测试结果试样编号厚度/mm净厚度/mm/mm裂纹扩展量/mm载荷/kNJ积分kJ/m2备注24CS02540-124.8349.862.33834.6851578.50824CS02540-224.9549.940.57340.309726.93624CS02540-325.0049.870.09037.976396.95624CS02540-425.0049.870.33039.517529.66224CS02540-524.8349.8740.2991065.53824CS02540-625.0049.8640.750941.70724CS02540-724.9449.880.01818.53715.78724CS02540-824.9749.820.03529.82199.74124CS02540-924.8649.870.06732.129278.22424CS02540-1024.7849.7839.2251291.47224CS02540-1124.8649.780.04632.156175.39224CS02540-1224.9749.810.05831.696241.684表5NS3306高温合金经不同标准体系处理得到的断裂韧度测试数据标准ISO12315ASTME1820阻力方程J=1.7948+1013.6630•(Δa）0.558相关系数0.97510.9834特征值602特征值有效性有效有效图5ISO12315处理得到的NS3306高温合金J-R阻力曲线图6ASTME1820处理得到的NS3306高温合金J-R阻力曲线通过控制停机条件，得到316L不锈钢和NS3306高温合金两种材量得到的伸张区宽度和对应的J值测试数据。表6316L不锈钢材料试样编号停机位移mm塑性伸张区宽度kJ/m223CS040056-82081.27723CS040056-44.45123.20533.78523CS040056-116.8294.64964.76423CS040056-123.52155.78446.13723CS040056-142.9672.04252.24023CS040056-1521.2243.46623CS040056-162.0253.38162.33823CS040056-173.41100.63334.14923CS040056-1837.1388.15223CS040056-192.5698.17239.91923CS040056-20135.491468.018表7NS3306高温合金试样编号停机位移mm塑性伸张区宽度kJ/m224CS02540-18.78106.001539.47524CS02540-33.0189.88396.95624CS02540-43.9293.93521.71824CS02540-65.50105.90924.27724CS02540-70.8115.78724CS02540-834.8199.74124CS02540-25.02123.33726.93624CS02540-92.4866.59278.22424CS02540-11175.39224CS02540-122.2258.21241.684图7316L不锈钢钝化线的拟合图8NS3306高温合金钝化线拟合曲线体系的钝化线方程和拟合得到的实际钝化线方程绘制在一张曲线图上，如图9体系和ISO12135体系处理得到的条件启裂韧度有明显区别，例如316L不锈钢材料的条件启裂韧度相差大约2.8倍，而NS3306高316L不锈钢和NS3306高温合金两种材料依据ISO12135与实测钝化线方程的相对误差较小，大概在25%左右。而通过ASTME1820计图9不同处理方法得到的316L不锈钢J-R阻力曲线图10不同处理方法得到的NS3306高温合金J-R阻力曲线2）通过测量伸张区宽度，对钝化线进行标定，并拟合得到316L不锈钢和NS3306高温合金两种低强度高延性材料的实际钝化线。裂韧度更小，说明现有断裂韧性测试标准对于低强度高延性材料的评估存在问表8使用不同钝化线方程得到的条件启裂韧度材料σs/MPaσb/MPaσs/σb条件启裂韧度JQ(kJ/m2)J=3.75Rm•Δa实际钝化线方程Δa实际钝化线方程316L不锈钢2275800.39655561561NS3306高温合金3708400.44602534599表9不同钝化线方程的差异比较标准材料316L不锈钢NS3306高温合金系数修正/实际钝化线方程J=2977*ΔaSZWJ=4097*ΔaSZWISO12135J=2175*ΔaSZWJ=3150*ΔaSZWm316L=5.13mNS3306=4.88相对误差26.9%23.2%ASTME1820J=2UYAaJ=807*ΔaSZWJ=1210*ΔaSZWm316L=7.38mNS3306=6.77相对误差72.9%70.5%鉴于以上研究内容，我们对本标准附录D进行了修改，将钝化线标定的内金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法和GB/T21143-2014金属材料准静态断对2002版存在的一些问题进行了补充和修正，有些内容与GB/T21143-2014修订与最新ISO标准接轨以保持国家标准先进性。该标准在核电、新能源汽车、压力容器、机械装备和高铁用关键金属材料的性能检测方面将发挥重要作用,对本标准的主要内容均来自ISO12135：2021，但在标