金属材料 宽板拉伸试验方法 征求意见稿

1金属材料宽板拉伸试验方法本文件规定了金属材料宽板拉伸试验的原理、试样、试验设备、测试装置、试验方法、试验数据处理和分析、试验报告等。本文件适用于金属材料平面宽板和弧面宽板（包括焊接接头）轴向应力应变行为的测定。也适用于前述样品上特定缺陷的变形和断裂行为的测定。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法GB/T229金属材料夏比摆锤冲击试验方法GB/T12160金属材料单轴试验用引伸计系统的标定GB/T16825.1静力单轴试验机的检验第1部分：拉力和（或）压力试验机测试系统的检验与校准GB/T21143金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法GB/T28896金属材料焊接接头准静态断裂韧度测定的试验方法3术语和定义GB/T228.1、GB/T229、GB/T16825.1、GB/T21143和GB/T28896界定的及下列术语和定义适用于本文件。3.1宽板拉伸试样wideplatetensilespecimen用于评估材料力学性能及结构强度的大尺寸的板状拉伸试样。3.2弧面宽板拉伸试样curvedwidetensileplate沿管材轴向切取的具有一定圆周宽度的含环焊接头的弧面试样。3.3焊接welding通过加热和/或摩擦和/或加压或三者并用的方法，使两个或更多个工件之间形成结合的连接方法。23.4焊缝weld经过焊接之后，在焊件中所形成的结合部分。3.5焊缝金属weldmetal形成焊缝且保留在焊缝中的熔化金属。3.6母材parentmetal被焊接的材料。3.7热影响区heat-affectedzone由于受焊接过程热循环的影响，使得材料显微组织发生变化的母材区域。3.8熔合线fusionline焊缝金属和热影响区之间的结合部位。3.9焊缝位置试样weldpositionalspecimen疲劳裂纹尖端位于焊接区域特定参考位置的试样。3.10毛坯试样specimenblank缺口加工之前所制备的焊接接头试样。3.11数字图像相关digitalimagecorrelation一种将试件变形前后的两幅数字图像进行比对，通过相关计算获取测量区域的变形数据的测量技术。3.12散斑pattern一种用于DIC软件跟踪点的特征的黑白相间的图案。4符号和缩略语下列符号和缩略语适用于本文件。4.1符号Ag——全截面面积，单位为平方毫米（mm2）An——净截面面积，单位为平方毫米（mm2）Ci——柔度D——钢管外径，单位为毫米（mm）a——缺口深度，单位为平方毫米（mm）ai——宽板试样的第i个缺口深度，单位为毫米（mm）e1——双引伸计方法中，从试样表面到内刀口的距离，单位为毫米（mm）e2——双引伸计方法中，从试样表面到外刀口的距离，单位为毫米（mm）h——错边量，单位为毫米（mm）hf——缺口深度，单位为毫米（mm）ki——每个弹性卸载/再加载循环中载荷-CMOD曲线的斜率L——宽板试样平行段长度，单位为毫米（mm）LT——宽板试样总长度，单位为毫米（mm）lA——母材A标距长度，单位为毫米（mm）lB——母材B标距长度，单位为毫米（mm）l——缺口长度，单位为毫米（mm）l0——接头标距长度，单位为毫米（mm）P——拉伸载荷，单位为兆帕（MPa）S0——原始横截面积，单位为平方毫米（mm2）R——夹持端与平行段之间的过度弧半径，单位为毫米（mm）Rt——屈服强度，单位为兆帕（MPa）Rm——抗拉强度，单位为兆帕（MPa）t——宽板试样厚度，单位为毫米（mm）ti——宽板试样的第i个测量厚度，单位为毫米（mm）W——宽板试样平行段外宽度，单位为毫米（mm）WT——宽板试样夹持端外宽度，单位为毫米（mm）∆lA——母材A标距长度伸长量，单位为毫米（mm）∆lB——母材B标距长度伸长量，单位为毫米（mm）∆lCMOD——CMOD引伸计张开位移，单位为毫米（mm）∆lCMOD1——低CMOD引伸计张开位移，单位为毫米（mm）∆lCMOD2——高CMOD引伸计张开位移，单位为毫米（mm）∆lp——母材标距长度伸长量，单位为毫米（mm）∆l0——接头标距长度伸长量，单位为毫米（mm）δ——裂纹尖端张开位移，单位为毫米（mm）εA——母材A应变εB——母材B应变εAB——母材平均应变εp——平均远端应变ε0——平均总应变σg——全截面应力，单位为兆帕（MPa）σn——净截面应力，单位为兆帕（MPa）4.2缩略语CMOD——裂纹口扩张开位移（CrackMouthOpeningDisplacement）DIC——数字散斑相关法（DigitalImagingCorrelation）HAZ——热影响区（Heat-affectedZone）LVDT——线性可变差动变压器（LinearVariableDisplacementTransducer），属于直线位移传感器5原理4试验系用拉伸试样，一般拉至颈缩、断裂，或者裂纹失稳等特定条件，同时测定第3章定义的一项或几项力学性能。除非另有规定，试验一般在10℃~35℃的室温范围内进行。对于室温不满足上述要求的实验室，实验室应评估此类环境条件下运行的试验机对试验结果和/或校准数据的影响。当试验和校准活动超过10℃~35℃的要求时,应记录和报告温度。如果在试验和/或校准过程中存在较大温度梯度,测量不确定度可能上升以及可能出现超差情况。6试样6.1形状和尺寸6.1.1原则试样的形状与尺寸取决于被试验金属产品的形状与尺寸，以及试验目的。通常从金属板材或者管材切取毛坯试样经机加工制成试样，试样可为平面板材或者带弧度的板材。试样可包含预制的缺陷，以确定试样的载荷以及局部载荷与变形的响应。试样可包含横向焊缝，在焊缝或临近焊缝处可预制缺陷。缺陷尺寸取决于试验的目的。6.1.2类型和形状试样可为宽板拉伸试样或纵向弧面宽板拉伸试样，形状和尺寸应符合图1的要求，若有焊缝，焊缝应处于平行段的中间位置。试样尺寸要求如下：a）L≥3.5W，如受材料或者试验机限制不能符合L≥3.5W的要求，也可在最小平行段长度L=3W的情况下进行试验；b）LT≥L+W；c）WT≥1.25W和(σTS/σYS)W中较大值；d）R≥0.3W；e）宽板试样的W取值根据如表1所示。表1W取值单位为毫米WW注：试样平行段部分的宽度W将取决于切取试样的母管直径和初始缺陷尺寸。考虑到环焊缝附近材料的异质性，试样应尽可能多地体现管道周长。但是，过宽的测试面板的曲率可能会导致面板在负载下弯宽度和厚度上的应力和应变分布产生不利影响。减小面宽度将过度影响缺陷附近的应力和应变水平的情况下，可能不足以匹配有代表性的结果，并且通常认为其宽度足以容纳管道环焊缝a)宽板拉伸试样b）弧面宽板试样标引序号说明：1——母材A；2——母材B；3——焊缝。图1宽板拉伸试样整体形状和尺寸6.2试样加工试样可以通过热切割取样。取样时，试样的纵向应与管体纵向一致，样坯应大于试样，以确保满足最终试样的外形符合6.1.2的要求。火焰切割的边缘应超出试样平行段部分至少50mm。对于弧面宽板试样，如没有专门要求，不应展平或者切除焊缝余高。宜使用热效应较低的工艺（如机械加工或者水射流切割）完成最终的样品加工。完成最终尺寸的加工时，平行段部分应保直度和平行度。试样宽度沿平行段的最大偏差应不超过1mm或平行段宽度的0.5%中的较小值。6.3缺口位置和尺寸6对于需要加工缺口的宽板试样，根据试验目的可在试样的内表面或外表面中心加工缺口。如果样品包含焊接接头，可在焊接接头的外表面或者内表面的焊缝金属、热影响区位置加工缺口。缺口应平行于焊缝，垂直于宽板试样轴向。在加工缺口之前，应将焊帽或根焊的余高打磨至与周围管道表面齐平，打磨部分的长度略长于缺口长度。焊缝处高低错边严重时，焊缝余高应与距离焊缝区域壁厚中心线较远一侧的管体表面对齐打磨。如用缺口模拟焊缝缺陷，则缺口应位于焊缝中心，缺口尖端距离同深度两侧熔合线中心线的偏差不应超过1mm。如用缺口模拟热影响区缺陷，则缺口尖端应位于热影响区中距离熔合线0.5mm以内区域。预制缺口前，应切取宽板试样相邻焊缝样品进行显微组织观察，以便确定缺口位置。如果焊接接头存在低错边，热影响区缺口应放置在低侧（即管体表面较接近焊缝区域中间厚度的一侧）。缺口尖端半径宜尽可能小，缺口尖端宽度的范围可根据裂纹尖端张开位移δ表征的断裂韧性水平确a）对于δ<0.5mm，在测试温度下未表现出完全延性行为的材料，宜采用循环加载预制疲劳裂纹；b）对于0.5mm≤δ<1.0mm的材料，可采用机械加工或电火花加工的方式来加工缺口，所允许的最大缺口尖端半径为0.1mm；c）对于δ≥1.0mm的材料，可采用机械加工或电火花加工的方式来加工缺口，所允许的最大缺口尖端半径为0.2mm。缺口长度偏差为±1mm，缺口深度偏差为±0.15mm。7试验设备7.1试验机应使用符合GB/T16825.1的要求的拉伸试验机进行试验。试验机的加载能力应大于宽板拉伸试验的预期拉伸强度，宜考虑可能的试验温度降低导致的强度增加。试验机应具有足够的位移加载能力，以确保试样获得特定的轴向应变水平。试验机的加载控制系统应能够对夹具施加特定的恒定速率。注：在确认试验机的适用性时，考虑机器相对于试样的轴向刚度。为了在试验过程中减少由于试验机的变形引起的在达到或超出失稳点后试样载荷对变形响应的影响，试验机的刚度明7.2试样末端固定装置试验机的端部夹具可通过焊接或机械方式连接到宽板拉伸试验端部。试验机端部夹具应能提供所需的约束，以有效防止宽板试样端部在试验过程中发生面内或者面外旋转。7.3测力系统试验机的测力系统应按照GB/T16825.1进行校准，其准确度应不低于1级。7.4LVDT7在宽板拉伸试样上，应至少安装四个LVDT来测量位移变化。图2标明了LVDT的安装位置，其中两个LVDT1和LVDT2安装在距宽板试样宽度边缘40mm处。另外两个LVDT3和LVDT4安装在宽板试样宽度方向的中心。四个LVDT可通过电阻点焊的方式进行安装，宜尽量靠近宽板试样表面。LVDT1和LVDT2的l0为2W，用于测量整体位移Δl0，LVDT3和LVDT4的标距长度(lA和lB)为0.5W，分别用于测量母材A和母材B的位移ΔlA和ΔlB。标引序号说明：1——母材A；2——母材B；3——LVDT14——LVDT25——LVDT36——LVDT47——缺口8——CMOD9——环焊缝图2位移传感器及CMOD引伸计安装位置示意图7.5引伸计根据如图3所示的刃口夹持装置安装引伸计。引伸计夹持位置的缺口应符合GB/T21143的规定，保证在试验过程中能够支撑引伸计并且不发生移动。如只需要得到CMOD的测量值，则只需在试样缺口侧面或者贴近试样表面的夹具刃口安装单个引伸计。如需要得到CTOD，则需在距离试样表面不同高度的两个夹具刃口分别安装引伸计。8标引序号说明：1——刃口块。图3推荐双引伸计布置图采用螺钉方式来安装CMOD引伸计，并满足以下要求：——从螺孔中心到缺口表面的距离应大于1.5倍至2倍螺钉直径，同时从螺孔中心到缺口中心线的距离应小于图2中的E；——螺孔深度应大于2mm，且在缺口深度大于4m的情况下小于缺口深度的一半；——螺孔应垂直于宽板试样表面；——螺钉安装时应拧紧。采用双引伸计螺钉安装方法时，宜采用图3所示进行布置。两个引伸计的刃口垂直高度差（e2-e1）应在0.25t~2t之间。7.6冷却系统在室温以下进行试验时，应配备冷却系统，可采用传导式或对流式冷却系统。冷却系统应能够对宽板试样的被测试部分（一般为缺口或者平行段区域）进行冷却。可只从宽板试样的一面进行冷却。如果不是在环境温度下测试，应安装至少三个热电偶来监测宽板试样温度，热电偶的推荐安装位置见图4，三个热电偶均位于宽板试样宽度方向的中心线上，其中一个热电偶安装在试样中间（缺口)附近(≤25mm），另两个热电偶分别安装在距离缺口L/2处的母材上。热电偶可通过焊接方式进行安装。标引序号说明：1——母材A；2——母材B；93——热电偶14——热电偶25——热电偶36——缺口7——环焊缝图4热电偶安装位置示意图7.7光学应变测量系统对于7.4中四个LVDT位移的测量，也可由光学应变测量系统完成。相较于LVDT，光学测量方法在实验前可不设定标距，试验后可定义计算任意两点之间的位移变化。同时，一次测量还可获得整个宽板试样表面的全场应变数据。推荐的光学应变测量系统应具备以下特性：a)基于一个相机的单目三维应变测量系统或者两个相机的双目三维应变测量系统均可；b)测量范围应大于LVDT1和LVDT2的l0，且考虑延伸率大小，避免试样拉伸后超出光学应变测量系统的视野范围。采用光学测量方法时，应在试样表面制作随机散斑图案用于数字图像相关计算。在测量过程中散斑不允许脱落，且散斑应具有一定弹性和韧性，可随着试样的变形而变形。为防止散斑脱落，提高散斑在试样表面的附着力，在制作之前应使用酒精等有机溶剂清洁被测物表面；应选用黑白哑光自动喷漆或散斑制作工具进行散斑制备，并宜制作白底黑点散斑以获得更好的图像对比度；先在试样表面喷涂一层较薄的、覆盖被测物底色的白色涂层，待白色底色风干后再进行黑色散斑点的制作。黑色散斑颗粒大小宜为（3～5）像素，且分布具有随机性。以1200万像素相机为例，横向分辨率为4000像素，对于1000mm的相机视场范围，散斑颗粒大小应为0.75mm～1.25mm，以此类推。最佳黑色散斑点密度为50%，视觉效果为黑白点各一半，图5为制备的散斑效果图。标准散斑宜使用散斑制作工具进行制作。图5散斑效果图7.8测量装置精度要求7.8.1拉伸载荷测量精度要求如下：a）精度要求为试验机最大载荷的±1%；b）线性度要求通常为±0.5%，在柔度测量时为±0.25%。7.8.2LVDT位移传感器测量精度要求如下：a）精度要求为最大量程的±1%；b）线性度要求为±0.5%。7.8.3引伸计测量精度要求如下：a）引伸计的精度要求符合GB12160—2019的一级准确度要求；b）精度要求为最大量程的±1%，同时在柔度测量时位移分辨率在0.0005mm以上；b）线性度要求通常为±0.5%，在柔度测量时为±0.25%。7.8.4冷却系统的测量精度要求如下：a）测量装置的最低分辨力为1℃,允许误差应在为±2℃以内，取最大值；b）测量温度与规定温度的允许偏差允许值为±3℃。c）热电偶精度要求为±1℃。7.8.4光学应变测量系统的精度要求如下：a）使用分辨率为1200万像素以上的工业相机。b）测量精度应达到GB/T12160—2019规定的0.5级精度要求。8试验要求8.1试验前的测量在试验前应测量宽板试样的平行段宽度W，夹持段宽度WT，平行段长度L，总长度LT及厚度t。在测量平行段宽度W及厚度t时应按以下要求进行：a）平行段宽度W：按图6所示，沿平行段上等间距的6个位置进行宽度测量，测量的宽度应垂直于试样轴向中心线，取平均值作为宽板试样的平行段宽度；b）厚度t：按图6所示，在平行段的中心线上取6个等间距的点进行测量，并取平均值作为宽板试样的厚度。图6试样测量位置按图2测量所有LVDT及引伸计的安装位置及初始标距长度。应测量LVDT安装夹具相对于试样端部和缩径截面边缘的位置（见图2）。应单独测量每个LVDT的初始标距长度，该长度由用于连接每个LVDT所需的两个安装夹具的点焊之间的中心距给出。有焊缝的试样还需测量图7所示的错边量。图7试样测量位置8.2设定试验力的零点在试验加载链装配完成后，试样两端被加持之前，应设定力测量系统的零点。一旦设定了力值零点，载试验期间力值测量系统不应再发生变化。注：上述方法一方面是为了确保夹持系统的重量在测力时得到补8.3试样的安装及温度控制将宽板试样安装到宽板试验机上并进行对中，宽板试样平行段截面几何中心距离试验机载荷轴线应小于1.5mm。安装引伸计时，缺口两侧刃口平行度偏差应在±1°之内。如需要在特定温度进行试验，则应在试样安装后，拉伸试验前将试样处理至目标温度并保温至少10分钟，保温期间温度波动应不超过±2℃。8.4试验程序试验加载前，应对除热电偶外的所有测试装置进行清零。试验前，试样应在母材平均应变0.05%~0.1%区间（弹性载荷范围内）完成加载和卸载循环至少3次（采用双引伸计进行柔度测量时例外），用以紧固引伸计。如在位移控制模式下进行正式试验，加载端保持恒定速率。加载端位移速率应满足母材平均应变速率的范围在1×10-5/s~2×10-5/s之间。母材平均应变每增加10-5，数采装置至少采样一次（1×10-5/s对应1Hz的采样频率，2×10-5/s对应2Hz的采样频率）。试验过程中，缺口处的温度应保持在目标温度±2℃以内，标距部分试样上其它位置的温度应保持在目标温度±5℃以内，任意两个热电偶之间的温度差应不大于7℃。试验过程中，如果测试温度超出上述规定的范围，应立即将加载端停止在原位置直至温度达到要求后继续试验。8.5试验结束判定在下列任一情况发生时，可终止试验：a）宽板试样发生断裂；b）裂纹贯穿厚度方向；c）载荷开始下降，并降至90％最大载荷；d）CMOD/CTOD值呈现渐近线式增长（加速增长）；e）根据试验结果预期用途，也可采用其他终止条件，如达到特定的轴向应变。8.6试验后的试样处理8.6.1试验结束后应立即采用保护涂层对裂纹扩展面（缺口面）进行保护，并将裂纹扩展面（缺口面）从宽板试样上切割分离。可采用着色法对断口样品进行着色，着色后的样品可使用液氮进行冷却并截断为两块，以使裂纹面暴露出来。8.6.2如果在测试过程中试样完全断裂，应检查暴露的断裂面，并获得两个断面外观的照片记录。如有预制缺口，则应进行初始和最终裂纹长度的测量。初始和最终裂纹深度应分别取最靠近缺口中部的五个初始和最终裂纹深度测量的平均值。试样测量位置见图8。a)缺口长度（l）——缺口的表面断裂长度。b)缺口深度（a）——缺口深度应在沿缺口长度的多个等距位置进行测量。深度测量的次数应足以表征缺口的剖面。深度测量次数宜为9次。初始缺口面积应根据缺口长度和深度剖面计算，如果进行了9次深度测量，则参考初始缺口深度（ai）应取最接近缺口中部长度的5次深度测量的平均值。应在原始缺口中部或附近位置的断裂面两侧，截取垂直于原始缺口中心线的截面金相试样。使用抛光和腐蚀处理，获得试样截面的照片。对出原始缺口尖端部位进行检查，确定初始缺口尖端与熔合线的距离，如果超过0.5mm，则该试验不能代表热影响区断裂行为。8.6.3如果在测试过程中没有发生完全的断裂，应在试样上截取包含初始缺口的矩形样品。允许使用火焰切割截取样品，但是切割边缘距离缺口的距离应大于25mm。截取的样品应在300℃热着色30分钟，以描述延性裂纹扩展的程度。然后在液氮中冷却样品，并加载使其沿原始缺口脆性断裂，暴露出断裂面。按照8.6.2的要求检查并测量断面。可在热着色后，冷却和断裂样品之前，对包含初始缺口的样品截取垂直截面进行断面检查并确认缺口位置，测量初始和/或最终裂纹扩展程度。图8试样测量位置9试验数据处理和分析9.1全截面应力计算σg应按公式（1）进行计算：σg=P/S0（1）9.2净截面应力计算σn应按公式（2）进行计算：σn=P/An（2）9.3平均总应变计算ε0应按公式（3）进行计算：ε0=∆l0/l0×100%（3）9.4平均远端应变εA应按公式（4）进行计算：εA=∆lA/lA×100%（4）εB应按公式（5）进行计算：εB=∆lB/lB×100%（5）εremote应按式公（6）进行计算：εremote=(εA+εB)/2（6）9.5CMOD计算采用单引伸计方法时，ΔlCMOD直接由测量的引伸计位移得到。采用双引伸计方法时,ΔlCMOD按式公（7）进行计算：9.6CTOD计算采用双引伸计方法时,δ应按公式（8）进行计算：9.7曲线绘制计算临界载荷（失稳最大载荷）下的全截面应力(σg）、净截面