金属材料 微试样力学试验 取样和试样制备方法 征求意见稿

1GB/T×××××-20××金属材料微试样力学试验取样和试样制备方法本文件规定了开展微试样力学试验时试料获取和试样制备相关的符号和说明、试料获取、样坯加工和微试样制备要求。本文件适用于微试样力学试验的材料取样和试样制备。如产品标准或供需双方协议对取样另有规定，应按其规定执行。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/T2975钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备GB/T19624在用含缺陷压力容器安全评定GB/T20832金属材料试样轴线相对于产品织构的标识3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1试料Sample为了制备一个或几个试样，从产品中切取足够量的材料。3.2有损取样Destructivesampling产品、在役设备或结构割取测试用材料的过程不能满足结构完整性和安全运行要求，割取后需要进行修补或需要改变设备的运行参数。3.3微损取样Minimallyinvasivesampling在产品、在役设备或结构割取测试用材料的过程能满足结构完整性和运行要求，割取后不需要进行修补或改变设备的运行参数。3.4样坯Roughspecimen为了制备试样，经过机械处理或所需热处理后的试料，称为样坯。3.5微试样Miniaturespecimen试样尺寸显著小于标准试样尺寸，仍能反映材料宏观力学性能的试样。3.6小冲杆试样Smallpunchspecimen用于小冲杆试验的圆片状试样。3.72GB/T×××××-20××微型拉伸试样Miniaturetensilespecimen用于获取材料拉伸性能的微试样。可以是严格按比例缩小或者按比例缩小并适当改变几何尺寸的标准拉伸试样，也可以是非标准拉伸试样形状的试样。3.8微型疲劳试样Miniaturefatiguespecimen用于获取材料疲劳强度或循环应力-应变行为的微型试样。可以是比例缩小形状类似的标准疲劳试样，也可以是特殊形状的疲劳试样。3.9微型蠕变试样Miniaturecreepspecimen用于获取材料蠕变强度或蠕变变形的微试样。可以是比例缩小形状类似的标准蠕变试样，也可以是特殊形状的蠕变试样。3.10微型冲击试样MiniatureCharpy-Vnotch(CVN)impactspecimen用于获取材料冲击性能的微试样。通常是成比例缩小的标准冲击试样，也可以是特殊形状的冲击试样。3.11微型断裂试样Miniaturefracturetoughnessspecimen用于获取材料断裂韧性、疲劳裂纹扩展、蠕变裂纹扩展的微试样。可以是按照标准试样严格按比例缩小或者按比例缩小并适当改变几何尺寸的标准紧凑拉伸、三点弯曲、单边缺口、中心缺口以及冲击试样，也可以是特殊形状的试样。4一般要求4.1加工的一般要求4.1.1样坯的制取应防止加工过程中热或者加工硬化等因素影响微试样的力学性能。样坯中不得含有任何裂纹或者其它宏观缺陷。4.1.2试样尺寸精度，表面粗糙度、表面塑性硬化层以及表面残余应力对力学性能产生较大的影响，应采用精细的加工及表面处理方法。4.2抽样产品、试料、样坯和试样的标识4.2.1抽样产品、试料、样坯和试样应做标记以确保可追溯至原产品以及它们在原产品中的位置和方向。为此，如果在抽样过程中无法避免要将抽样产品、试料、样坯和试样(一个或多个)的标记去除，应在这些标记去除前或在试样从自动制样设备中取出前做好标记转移。在规定检验和需方要求的情况下，标记转移须在需方代表在场的情况下进行。4.2.2对于全自动的在线制样和测试系统，若配置了完备的控制系统，在系统故障发生时能按设定程序响应，则无需对抽样产品、试料、样坯和试样进行标记。5试料的准备和微试样选择5.1试料的状态5.1.1根据产品标准或合同规定，试料状态分为交货状态、标准状态和服役状态。5.1.2在交货状态下取样时，可从以下两种条件中选择：a)产品在成型或热处理（或两者）完成之后取样；b)如在热处理之前取样，试料应在与交货产品相同的条件下进行热处理。5.1.3在标准状态下取样时，应按产品标准或订货单规定的生产阶段取样。GB/T×××××-20××35.1.4在服役状态下取样时，应按标准清楚取样部位的服役条件及服役时长。5.2试料的获取方法5.2.1微损取样5.2.1.1设备或结构上的微损取样方法有机械式和电火花式两种，参见附录A，推荐使用勺刀“挖取”机械式取样技术。5.2.1.2微损取样的位置应根据需方要求选择产品的表面、内壁、焊缝、热影响区等位置或局部区域，亦可对检测有缺陷的位置有针对性取样。5.2.1.3采用微损取样时，应采用合适的冷却措施，避免产品及试料因受热影响力学性能。5.2.1.4对于直接确定属于微损取样的，对取样后留下的缺欠无需进行补焊等安全处理。5.2.1.5对于不能直接确定属于微损取样的，宜通过GB/T19624等结构完整性评价方法确定合适的取样厚度。5.2.2有损取样5.2.2.1当产品允许切除大块材料时，所采用的试料切割方式应不改变用于制作试样的那部分试料的特性。用烧割法和冷剪法取样所留加工余量可参考GB/T2975-2018附录B。5.2.2.2当产品不允许切除大块材料时，可选用附录A给出的取样方法获取试料。取样后应对产品进行修补或改变设备的运行参数。5.3试样位置在产品不同位置取样时，力学性能会有差异，应按以下方法进行取样：a)对于允许切取大块材料的情况，可按GB/T2975-2018附录A规定，在具有代表性的位置进行取样；b)对于采用附录A方法获取试料的情况，可按图1进行不同类型微试样取样；c)如产品标准或供需双方协议对取样位置另有规定的，应按其规定执行。图1微损试块的微试样取样示意图5.4试样的轴向方向试样轴线的方向与产品加工主方向的关系应在相应的产品标准或合同中规定。试样轴线的确定GB/T×××××-20××4应符合GB/T20832的要求。5.5试料的热处理对于标准状态试验需要对试料进行热处理时，应在温度均匀的环境下进行，并用校准过的仪器测量温度。热处理工艺应按照产品标准或合同的要求进行。5.6微试样的选择5.6.1对于矩形截面微试样，试样的最小宽度和厚度必须大于某一临界值，才能表征材料的宏观力学行为；对于圆形截面微试样，试样的最小直径必须大于某一临界值，才能表征材料的宏观力学行为。该临界尺寸与材料类型及测试力学参量相关，用材料的晶粒尺寸进行表征，通常是4-10倍的晶粒尺5.6.2典型的微试样类型和几何尺寸参见附录B，包括但不限于以下三类：a)严格按比例缩小的标准试样；b)按比例缩小并改变部分几何尺寸的试样；c)特殊结构试样。5.6.3应根据相应试验方法的规定和试验机能力选用合适的试样类型。考虑制造成本和易操作性，推荐使用矩形截面试样。6微试样的制备6.1微试样的加工6.1.1应选用对表层材料性能影响较小的加工方法，从原材料或微损试块上切割出具有良好的尺寸精度和表面光洁度的试样形状，推荐使用电火花加工。注：随着试件尺寸小型化的发展，宜使用微电子放电加工技术、6.1.2切割加工出试样形状后，应进行表面研磨和抛光处理。抛光处理通常包括：机械、化学和电解方法。6.1.3采用的最终加工方法应保证试样的尺寸和形状处于相应试验标准规定的公差范围内。试样的尺寸公差应符合相应试验方法的规定。6.1.4当需要对试样进行标准状态热处理时，其热处理状态应与试料的要求相同[见5.5]。6.1.5详细的微试样的制备加工方法见附录C。6.2尺寸检查应在精加工完成后对试样的尺寸进行检查，采用的检查方法应不改变试样的表面条件。6.3存放及转运试样制备好后，应保存以防止任何损伤（接触刮伤或氧化等）。建议采用单独的盒子或带封头的管保存试样。在某些情况下，有必要将试样放在真空瓶或者放在有硅胶的干燥器中。GB/T×××××-20××5（资料性）常见的微损取样方法勺刀“挖取”机械式取样方法可分为HOOKIII式和SSamTM-2式，见图A.1。电火花式取样方法见图A.2。两种方法均适用于在产品表面获取小块试料。（a）HOOKIII式取样方法（b）SSamTM-2式取样方法图A.1勺刀“挖取”机械式取样方法图A.2电火花式取样方法GB/T×××××-20××6（资料性）常见微试样类型B.1通则一种微试样类型能实现多个力学性能测试，也存在一种力学性能可通过不同类型微试测试获得。本文件以拉伸、疲劳、蠕变、冲击、断裂将微试样类型进行归类。B.2拉伸微试样常见的拉伸微试样的形状和尺寸见表B.1及图B.1。表B.1常见的拉伸微试样的形状和尺寸NANA注2：NA表示“不适用”(a)板状试样GB/T×××××-20××7(b)棒状试样(e)小冲杆试样图B.1常见的拉伸微试样B.3疲劳微试样疲劳微试样因受力形式以及控制方式不同存在多种类型，图B.2为常见的疲劳微试样。哑铃型试样（图B.1(d)）以及小冲杆试样（图B.1(e)）也是常用的疲劳微试样。GB/T×××××-20××8（a）棒状疲劳试样(b)矩形疲劳试样（c）漏斗形板状疲劳试样GB/T×××××-20××9（d）平板弯曲疲劳试样(e)弯曲疲劳试样图B.2常见的疲劳微试样B.4蠕变微试样蠕变微试样因受力形式不同存在多种类型，图B.3为常见的蠕变微试样。小冲杆试样（图B.1(e)）也是常用的蠕变微试样，其直径常为8mm~10mm，厚度为0.3mm~5mm。(a)三点弯曲蠕变试样(l=10mm,L=19.8mm,b=4.44mm,2h=1.54mm,r=1mm)GB/T×××××-20××(b)悬臂梁蠕变试样(H1=2.0mm,H2=4.0mm,L1=4.0mm,l=16.0mm,l3=24.0mm,r=1mm)(c)固支蠕变试样(h=1.0mm,L=19.8mm,l=12.0mm,b=1.9mm,r=1mm)(d)棒状蠕变试样(e)缺口蠕变试样图B.3常见的蠕变微试样B.5冲击微试样常见的冲击微试样形状及尺寸见图B.4和表B.2。小冲杆试样（图B.1(e)）也可用于测试材料的韧脆转变温度。图B.2常见的冲击微试样的形状和尺寸GB/T×××××-20××b/mm图B.4冲击微试样几何尺寸示意图B.6断裂微试样常见的断裂微试样见图B.5。小冲杆试样（图B.1(e)）也可用于材料的断裂韧度测试。(a)紧凑拉伸试样GB/T×××××-20××(b)三点弯曲试样(c)不同尺寸的夏比冲击试样图B.5常见的断裂微试样GB/T×××××-20××（规范性）微试样的制备C.1总则C.1.1随着试样尺寸的减小，试样的加工精度，表面质量对力学性能测试结果的影响越来越显著。传统的加工方法在某些微试样加工方面是有效的，但远远不能满足微试样加工的质量要求。总体上微试样的制备要求如下：a)微试样的样坯应采用电火花或微电子放电等精细切割技术。b)微试样在机加工后，应进行研磨或抛光，以控制试样表面粗糙度及残余应力。c)微试样对工作区内的尺寸控制更为严格，误差控制在1%之内。C.1.2根据微试样的类型、尺寸、用途，微试样在制备上大致分为三类：a)第一类：疲劳微试样；b)第二类：最小尺寸大于1mm的微试样；c)第三类：最小尺寸小于1mm的微试样。B.2第一类试样的制备疲劳微试样应具有最佳的表面质量，表面光洁度高，并且不能存在残余应力，与标准疲劳试样有所差别，疲劳微试样的试样制备如下：a)将试样机加工至目标厚度+0.1mm；b)研磨或机械抛光至目标厚度+0.02mm。对于截面圆形试样，应采用轴向抛光；c)电解抛光。如采用95%乙醇、5%高氯酸电解液在0℃进行电解抛光，也可以采用其它电解抛光溶液。C.3第二类试样的制备该类微试样虽然体积尺寸远小于标准试样，但最小尺寸远大于10倍晶粒尺寸，表面质量和尺寸精度可按对应的标准试样加工，如：a)拉伸微试样参照GB/T228.1《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》；b)疲劳微试样参照GB/T26077《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》及GB/T3075《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》；c)蠕变微试样参照GB/T2039《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》；d)蠕变-疲劳微试样参照GB/T38822《金属材料蠕变疲劳试验方法》e)冲击微试样参照GB/T229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》；f)断裂韧性微试样参照GB/T21143《金属材料准静态断裂韧性的统一试验方法》；g)疲劳裂纹扩展微试样参照GB/T6398《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》h)蠕变裂纹、蠕变-疲劳裂纹扩展微试样参照GB/T42903《金属材料蠕变裂纹及蠕变-疲劳裂纹扩展速率测定方法》C.4第三类试样制备要求该类微试样的表面质量对试验结果将产生明显的影响，但影响小于疲劳微试样。第三类微试样制备要求如下：a)将试样机加工至目标尺