金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法 編制說(shuō)明

《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》測(cè)技術(shù)股份有限公司、冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院、……、等，計(jì)劃完成時(shí)間為工作組及有關(guān)專家研討后，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)草案初稿進(jìn)行了認(rèn)真的修改，于2024年10將標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿和編制說(shuō)明發(fā)送到力學(xué)分委員會(huì)委員及有代表性的標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)方廣泛征求意見(jiàn)，同時(shí)在《鋼鐵標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)》網(wǎng)站上注意：如果標(biāo)準(zhǔn)草案涉及專利，在標(biāo)準(zhǔn)制修訂過(guò)程中的任何階段，均應(yīng)附上《已披露的專利清單》廣泛征求意見(jiàn)，并將反饋意見(jiàn)加以說(shuō)明。鼓勵(lì)沒(méi)有參與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制修訂的組織或者個(gè)人在標(biāo)準(zhǔn)制修訂的任何階段披露其擁有和知悉的必要專利。一性、協(xié)調(diào)性、適用性、一致性和規(guī)范性的原則來(lái)進(jìn)本標(biāo)準(zhǔn)修改采用ISO12135：2021《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的要求編寫。在確定本標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)指標(biāo)時(shí)，綜合考1）在范圍中增加焊接材料采用ISO15653和鐵素體鋼解理斷裂采用ASTM2）本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原有過(guò)期引用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了更新，GB/T12160-2002改為GB/T12160-2019金屬材料單軸試驗(yàn)用引伸計(jì)系統(tǒng)的標(biāo)定，ASTME1820-11刪除年3）在第3章術(shù)語(yǔ)和定義中增加3.4J值的定刪除JQ0.2BL、δQ0.2BL及其說(shuō)明。其中Ap是GB/T21143-2014中為了通過(guò)三點(diǎn)彎曲試樣8）增加試樣殘余應(yīng)力處理的說(shuō)明，并在斷裂韌性結(jié)果中以上角標(biāo)字母M驗(yàn)證試驗(yàn)論證其的合理性；2）對(duì)于鈍化線斜率問(wèn)題開(kāi)展多家相關(guān)檢測(cè)單位間的在ISO12315:2021中對(duì)于直通型缺口和臺(tái)階型缺口的緊湊拉伸試樣其P-V兩版ISO12315標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于函數(shù)g4的公式的來(lái)源出處都是參考文獻(xiàn)[15]KAPPdisplacementsforstandardfracture在ASTME1820中均采用平面應(yīng)力條件計(jì)算，而ISO兩版（3）ISO標(biāo)準(zhǔn)2021版中g(shù)4函數(shù)采用的系數(shù)對(duì)應(yīng)原文獻(xiàn)加載線（臺(tái)階型缺口用這個(gè)函數(shù)計(jì)算裂紋嘴張開(kāi)位移和載荷的關(guān)系顯然不合理且后的影響，我們選取直通型缺口（9件）和臺(tái)階型缺口（8件）兩種類型緊湊圖1P-V關(guān)系函數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比式不同，但函數(shù)數(shù)據(jù)在a/w在0.45到0.7之間基本吻合誤差在（3）直通型的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與2016版g6符合性較好，如果對(duì)數(shù)據(jù)按照ISO（4）對(duì)V轉(zhuǎn)q數(shù)據(jù)和臺(tái)階型數(shù)據(jù)按照平面應(yīng)力條件進(jìn)行修正時(shí)得到數(shù)據(jù)對(duì)于延性較好的金屬材料評(píng)價(jià)其J-R阻力曲線并得到臨上常用的試驗(yàn)方法。而在實(shí)際測(cè)試中經(jīng)常遇到強(qiáng)度較低且延性較好的材料（如316L不銹鋼、508-Ⅲ低合金鋼等）不能按照標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法得到有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)目前ASTME1820標(biāo)準(zhǔn)體系推薦的鈍化線方程為：J=(Rp0.2+Rm)Δa，而ISO為了研究材料的真實(shí)鈍化線斜率，我們參考了ASTME1820-2009標(biāo)提到的對(duì)鈍化線進(jìn)行標(biāo)定修正的試驗(yàn)方法。但是在0.2J0.2BL（B）~0.6J0.2BL（B）范圍目前，我們選取了2種低強(qiáng)度高延性試驗(yàn)材料進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)工作，分別是圖2臺(tái)階型緊湊拉伸試樣圖表1兩種材料的拉伸性能材質(zhì)抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度（Rp0.2斷后伸長(zhǎng)率（A）%Rp0.2/Rm彈性模量GPa泊松比316L不銹鋼58022769.50.390.3NS3306高溫合金84037055.00.442050.30.2J0.2BL（B）~0.6J0.2BL（B）之間。然后對(duì)試樣進(jìn)行加熱著色，并利用二次疲勞或者據(jù)分布均勻。利用得到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得通過(guò)斷裂韌性測(cè)試，分別獲得了316L不銹鋼和NS3306高溫合金室溫條件示。然后，分別按照ISO12135和ASTME1820標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，得J-R阻力曲線如圖3~圖6所示?？梢钥闯?，同一種材料，不同標(biāo)準(zhǔn)體系得到的顯差異，這主要?dú)w因于兩種標(biāo)準(zhǔn)體系所采用的鈍化表2316L不銹鋼J-R阻力曲線測(cè)試結(jié)果試樣編號(hào)厚度/mm凈厚度/mm/mm裂紋擴(kuò)展量/mm載荷/kNJ積分kJ/m2備注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不銹鋼經(jīng)不同標(biāo)準(zhǔn)體系處理得到的斷裂韌度測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO12315ASTME1820阻力方程J=1.3664+1036.7091?(Δa）0.668相關(guān)系數(shù)0.98420.9634特征值655特征值有效性無(wú)效無(wú)效圖3ISO12315處理得到的316L不銹鋼J-R阻力曲線圖4ASTME1820處理得到的316L不銹鋼J-R阻力曲線表4NS3306高溫合金J-R阻力曲線測(cè)試結(jié)果試樣編號(hào)厚度/mm凈厚度/mm/mm裂紋擴(kuò)展量/mm載荷/kNJ積分kJ/m2備注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高溫合金經(jīng)不同標(biāo)準(zhǔn)體系處理得到的斷裂韌度測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO12315ASTME1820阻力方程J=1.7948+1013.6630?(Δa）0.558相關(guān)系數(shù)0.97510.9834特征值602特征值有效性有效有效圖5ISO12315處理得到的NS3306高溫合金J-R阻力曲線圖6ASTME1820處理得到的NS3306高溫合金J-R阻力曲線通過(guò)控制停機(jī)條件，得到316L不銹鋼和NS3306高溫合金兩種材量得到的伸張區(qū)寬度和對(duì)應(yīng)的J值測(cè)試數(shù)據(jù)。表6316L不銹鋼材料試樣編號(hào)停機(jī)位移mm塑性伸張區(qū)寬度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高溫合金試樣編號(hào)停機(jī)位移mm塑性伸張區(qū)寬度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圖7316L不銹鋼鈍化線的擬合圖8NS3306高溫合金鈍化線擬合曲線體系的鈍化線方程和擬合得到的實(shí)際鈍化線方程繪制在一張曲線圖上，如圖9體系和ISO12135體系處理得到的條件啟裂韌度有明顯區(qū)別，例如316L不銹鋼材料的條件啟裂韌度相差大約2.8倍，而NS3306高316L不銹鋼和NS3306高溫合金兩種材料依據(jù)ISO12135與實(shí)測(cè)鈍化線方程的相對(duì)誤差較小，大概在25%左右。而通過(guò)ASTME1820計(jì)圖9不同處理方法得到的316L不銹鋼J-R阻力曲線圖10不同處理方法得到的NS3306高溫合金J-R阻力曲線2）通過(guò)測(cè)量伸張區(qū)寬度，對(duì)鈍化線進(jìn)行標(biāo)定，并擬合得到316L不銹鋼和NS3306高溫合金兩種低強(qiáng)度高延性材料的實(shí)際鈍化線。裂韌度更小，說(shuō)明現(xiàn)有斷裂韌性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于低強(qiáng)度高延性材料的評(píng)估存在問(wèn)表8使用不同鈍化線方程得到的條件啟裂韌度材料σs/MPaσb/MPaσs/σb條件啟裂韌度JQ(kJ/m2)J=3.75Rm?Δa實(shí)際鈍化線方程Δa實(shí)際鈍化線方程316L不銹鋼2275800.39655561561NS3306高溫合金3708400.44602534599表9不同鈍化線方程的差異比較標(biāo)準(zhǔn)材料316L不銹鋼NS3306高溫合金系數(shù)修正/實(shí)際鈍化線方程J=2977*ΔaSZWJ=4097*ΔaSZWISO12135J=2175*ΔaSZWJ=3150*ΔaSZWm316L=5.13mNS3306=4.88相對(duì)誤差26.9%23.2%ASTME1820J=2UYAaJ=807*ΔaSZWJ=1210*ΔaSZWm316L=7.38mNS3306=6.77相對(duì)誤差72.9%70.5%鑒于以上研究?jī)?nèi)容，我們對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)附錄D進(jìn)行了修改，將鈍化線標(biāo)定的內(nèi)金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法和GB/T21143-2014金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷對(duì)2002版存在的一些問(wèn)題進(jìn)行了補(bǔ)充和修正，有些內(nèi)容與GB/T21143-2014修訂與最新ISO標(biāo)準(zhǔn)接軌以保持國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)性。該標(biāo)準(zhǔn)在核電、新能源汽車、壓力容器、機(jī)械裝備和高鐵用關(guān)鍵金屬材料的性能檢測(cè)方面將發(fā)揮重要作用,對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容均來(lái)自ISO12135：2021，但在標(biāo)