GB/T 46774—2025金属材料高应变速率动态断裂韧度-试验方法

1范围

本文件规定了金属材料高应变速率动态断裂韧度试验方法的原理、试样、试验设备、试验程序、试验结果的数值修约和试验报告。

本文件适用于高应变速率(应力强度因子变化速率大于3 MPa·m1/2s-1)下金属材料动态断裂韧度的测定。

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/T 3808摆锤式冲击试验机的检验

GB/T 8170数值修约规则与极限数值的表示和判定

GB/T 19748金属材料夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法

GB/T 20832金属材料试样轴线相对于产品织构的标识

GB/T 21143—2025金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法

JJF 1445落锤式冲击试验机校准规范

3术语和定义

GB/T 21143—2025界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1动态断裂吸收能量dynamic fractureabsorbed energy

Es:含裂纹试样在动态加载过程中吸收的能量,由力-位移所围成的面积计算得到。

3.2脆性启裂时长brittle initiation time

Tm:用于计算dK/dt的试验时间,即载荷开始上升到脆性断裂的时间。

3.3

动态断裂韧度dynamic fracture toughness

KId,JId:动态加载下与材料临界启裂相关的K因子或J积分。

4符号和说明

本文件采用的符号和说明见表1。

表1符号和说明

5原理

在规定的温度下,对预制裂纹试样进行动态加载直至试样完全断裂,获得试验中力、位移随时间变化的曲线,对力-位移曲线进行数据处理,获得试样在特定约束下的动态断裂吸收能量,以评价材料的动态断裂性能;或对预制裂纹试样进行动态加载至一定裂纹扩展量,测量材料的动态断裂阻力曲线、临界动态断裂韧度等。

6试样

6.1试样形状和尺寸

6.1.1试样宜采用图1所示的紧凑拉伸试样或图2所示的三点弯曲试样。

6.1.2在试验机载荷量程及夹具夹持能力允许的前提下,为满足8.6.2.4和8.6.3.4.3给出的试样有效性判定条件,试样厚度宜尽量接近被测构件的原始厚度。

注1:h=0.275W±0.005W或0.375W±0.005W。

注2:引发裂纹缺口尖端的纵切面(A面)与试样左右两端面保持等间距且距离之差在0.005W以内。

注3:0.8≤W/B≤4.0(一般取W/B=2)。

注4:0.45≤a/W≤0.7。

注5:裂纹尺寸(a/W)与材料的动态韧-脆转变特性具有强相关性,裂纹尺寸越大材料冲击脆化速率越低。

注6:表面粗糙度Ra单位为微米(μm)。

图1紧凑拉伸试样

注1:引发裂纹缺口尖端的纵切面(A面)与试样左右两端面保持等间距且距离之差在0.005W以内。

注2:1.00≤W/B≤4.0(一般取W/B=2)。

注3:0.45≤a/W≤0.7。

注4:裂纹尺寸(a/W)对材料的动态韧-脆特性具有强相关性,裂纹尺寸越大材料冲击脆化速率越低。

注5:表面粗糙度Ra单位为微米(μm)。

图2三点弯曲试样

6.2试样侧槽

6.2.1本试验的试样可为无侧槽试样或开侧槽试样。试样厚度两侧开对称侧槽,两侧槽应深度相等,侧槽角度为30°~90°(含30°、90°),底部半径为(0.4±0.2)mm。侧槽深度B-BN不应超过0.2B,除了特殊的情况外,应在预制疲劳裂纹后开侧槽。

注:对于一些材料,为了协助预制疲劳裂纹,在预制疲劳裂纹前开一个浅侧槽(低于全尺寸的5%)是允许的。预制完疲劳裂纹,再将浅侧槽开到全深度尺寸。

6.2.2推荐奥氏体钢的侧槽角度为90°,因为在试样背面产生的较大位移,可能导致侧槽部分或完全闭合。

6.3试样制备

6.3.1原始状态试样应从最终热处理状态和(或)机械加工状态下的材料上截取。

6.3.2服役状态试样应从服役状态下的结构上截取。

6.3.3在机械加工之前确定裂纹平面取向,应与GB/T 20832标识一致,同时要记录试样和材料的其他信息。

6.3.4机械加工参照GB/T 21143—2025中第5章的要求。

注1:当试样不能从其最终热处理状态下截取时,最终热处理能在机械加工后满足了试样的尺寸、公差、形状和表面

光洁度要求时,并充分考虑了由于特殊的热处理(如钢的水淬)而带来的试样尺寸变化等影响后进行。

注2:残余应力可能影响准静态断裂韧度的测量。当试样从具有明显残余应力的区域截取时,影响是显著的。如焊接件、形状复杂的型钢(如热模锻、阶段式挤压、铸造)等,它们不可能完全释放应力或有局部感应残余应力。从有残余应力的产品上截取的试样可能也有残余应力。在试样的截取过程中可能部分释放或重新分配残余应力,残余应力的存在仍然可能影响试验数据。残余应力需叠加到外加应力上,作用于裂纹尖端应力场,明显不同于仅外加力或位移。试样机械加工中的变形,试样几何形状的依赖性及在预制疲劳裂纹过程中的不规则裂纹扩展(如裂纹前缘过度弯曲或偏离扩展平面)经常是受残余应力的影响所致。在外加力为零时的缺口张开位移(裂纹闭合效应)表征残余应力的存在,并可能影响随后的断裂韧度测定。在GB/T 28896中描述了焊接试样处理残余应力的方法。

注3:断裂韧度值与机械加工的主变形方向、各向异性(晶粒流变)、裂纹平面取向和裂纹扩展方向有关。

7试验设备

7.1试验机

7.1.1摆锤式冲击试验机和落锤式冲击试验机通常用于测量三点弯曲试样的动态断裂韧度,也可用于测量紧凑拉伸试样的动态断裂韧度;液压伺服型高速材料试验机常用于测量紧凑拉伸和三点弯曲试样的动态断裂韧度。

注:摆锤式及落锤式冲击试验机在中低加载速率下会出现试验过程中的锤刃/落锤速率显著降低,需注意试验中仪器化试验设备输出的锤刃/落锤速率变化曲线。

7.1.2按照GB/T 19748规定设计的仪器化夏比摆锤冲击试验机,通过摆锤释放位置的变化改变试验机的打击速率。仪器化摆锤式冲击试验机可提供试验中的加载力-施力点位移关系曲线和锤刃速率变化曲线,试验机砧座可安装7.2中所规定的试验夹具。摆锤式冲击试验机的仪器化与校准程序应符合GB/T 3808的要求。

7.1.3仪器化落锤式冲击试验机可提供试验中的力-位移曲线和落锤速率变化曲线,试验机砧座可安装

7.2中所规定的试验夹具。落锤式冲击试验机的仪器化与校准程序应符合JJF 1445的要求。

7.1.4液压伺服型高速材料试验机宜具备在0.001 m/s~20 m/s加载速率下皆保持恒速加载的能力[2]。

7.2试验夹具

7.2.1三点弯曲试样的试验夹具的设计宜参照GB/T 21143—2025,在加载过程中支承辊可自由向外移动(见图3),并保持整个试验过程中辊的接触,以减少摩擦力的影响。支承辊的直径应为W/2~W,两辊及上压头与试样的接触面应互相平行,且平行度达到±0.002W。试验装置和辊的硬度不小于40 HRC或试样硬度,取其大者。加载装置受力面的屈服强度不应小于1 000 MPa。附录A提供一种弹簧固紧式三点弯曲试验夹具供参考。

7.2.2紧凑拉伸试样的试验夹具宜参照GB/T 21143—2025推荐的平底加载销孔U形钩(图4)或圆底加载销孔U形钩(图5)进行设计。试验夹具与试验机夹头应刚性固定,应保证试验过程中试验夹具与试验机作动器以相同的速率运动。U形钩和加载销的硬度不小于40 HRC或试样硬度,取其大者。试验夹具受力面和销钉的屈服强度不应小于1 000 MPa。

标引序号说明:

1—辊;

2—橡皮筋或弹簧;

3—固定橡皮筋或弹簧的箍。

注:表面粗糙度Ra单位为微米(μm)。

图3三点弯曲试样试验夹具

对于大位移量的试样,U型钩销孔的直径应放大到括号内的尺寸。

注1:加载销的直径=0.24W-0(0).005W或0.18W-0(0).005W(对于小尺寸销钉孔试样)。

注2:表面粗糙度Ra单位为μm。

图4紧凑拉伸试样试验夹具(平底型)

注1:加载销的直径=0.24W-0(0).005W或0.18W-0(0).005W(对于小尺寸销钉孔试样)。

注2:U型钩和加载销的硬度不小于40HRC或试样硬度,取其大者。

注3:表面粗糙度Ra单位为微米(μm)。

图5紧凑拉伸试样试验夹具(圆底型)

7.2.3动态断裂韧度测量限位及脱离装置见附录B。

注:高应变速率动态断裂试验中,试验加载装置在试验过程中不能中途停止,为获得延性试样在设定约束下的动态断裂阻力曲线及临界动态断裂韧度,需采用限位或脱离装置,使得试样以设定速率加载直至一定裂纹扩展量,试样与加载装置脱离,从而获得Up和裂纹扩展量之间的对应关系。

8试验程序

8.1一般要求

8.1.1试验一般在室温下进行,其他温度下的试验可参考本文件。

8.1.2对于三点弯曲试样,加载线与试验夹具两辊轴线的间距应相等,且距离之差应小于两辊间距的1%。跨距S应为4W±1%。试验夹具两辊的轴线保持相互平行,且偏差在±1°以内。试样的放置位置,应使裂纹顶端位于两辊正中,同时试样应与支承辊垂直,偏差在±2°以内。

8.1.3对于紧凑拉伸试样,U形钩夹具的同轴度应达到0.5 mm,试样应位于加载销的中心,偏差在1 mm以内。

8.1.4同一试验加载速率下的试样数量不应少于3个。

8.2预制疲劳裂纹

8.2.1用于动态断裂韧度试验的试样应预制疲劳裂纹。

8.2.2预制疲劳裂纹在室温下进行。

8.2.3预制疲劳裂纹应在试样完成制备后进行,在整个预制疲劳裂纹过程中最大疲劳裂纹预制力应准确至±2.5%。疲劳过程中的应力比应在0~0.1之间,为加快裂纹萌生,可在初始的若干周次使用-1.0的应力比。

8.2.4预制疲劳裂纹的装置应仔细地对中以保证施加的力在整个试样厚度上一致,相对于预期的裂纹平面对称地分布。

8.2.5对于三点弯曲试样,在最后的1.3 mm或50%的预裂纹扩展量取其较小值时的最大预制疲劳裂纹载荷应取公式(1)和公式(2)结果的低值。

Ff=0.8×B(W-A0)²/S×RP…………………………（1）

Ff=ξ×E［(W×B×B_N)^0.5/g1(a0/W）］(W/S)…………………………（2）

式中:

ξ=1.6×10^-4 m^1/2;

g1(a₀/W）=3(a₀/W）^0.5［1.99-(a₀/W）(1-a₀/W）（2.15-3.93a₀/W+2.7a2 0）］/［2（1+2a₀/W）(1-A₀/W)^1.5

8.2.6对于紧凑拉伸试样,在最后的1.3 mm或50%的预裂纹扩展量取其较小值时的最大预制疲劳裂纹载荷应取公式(3)和公式(4)结果的低值。

Ff=0.6×B(W-a0)²/（2W+a0）×Rp…………………………(3)

Ff=ξ×E［W×B×B_N)0.5/g2（a0/W）］…………………………(4)

式中:

ξ=1.6×10-4 m1/2;

G2(a₀/W）=(2+a₀/W）［0.886+4.64a₀/W-13.32(a₀/W）²+14.72(a₀/W）³-5.6(a₀/W）⁴］/(1-A₀/W)^1.5

8.3试验速率

8.3.1三点弯曲动态断裂试验中,加载辊自接触三点弯曲试样直至试验加载终止,试验中的加载速率宜保持基本稳定。

8.3.2紧凑拉伸动态断裂试验中,自试验开始至试验加载终止,试验中的加载速率宜保持基本稳定。8.3.3试验中应力强度因子速率应大于3 MPa·m1/2s-1。

注:满足GB/T 229的夏比冲击试验,在冲击速度5 m/s的条件下,能提供约105 MPam1/2s-1的动态应力强度因子的变化速率[8]。

8.4试验终止

8.4.1动态断裂吸收能量测量试验中,当试样完全断裂时,试验视为终止。

8.4.2动态应力强度因子测定试验中,试样在设定速率下加载至试样断裂,试验视为终止。

8.4.3 Jd阻力曲线和临界动态断裂韧度JId的测定试验中,试样加载至设定裂纹扩展量且与加载夹具脱离,试验视为终止。

8.5数据处理

8.5.1裂纹尖端等效应变速率估算

裂纹尖端的等效应变速率由公式(5)估算[4]。

Dε/dt=2R_P/t_fE…………………………(5)

式中:

Rp—试验温度和准静态加载下的屈服强度,单位为兆帕(MPa);

E—试验温度和准静态加载下的杨氏弹性模量,单位为吉帕(GPa);

tf—小尺寸屈服时至断裂时刻所需的时间,或当材料发生显著弹塑性变形时,力-时间关系曲线上初始线性段的时间间隔,具体如图6所示,单位为秒(s)。

a)线弹性断裂b)弹塑性非稳定断裂(Δa<0.2 mm)以及弹塑性非稳定断裂[0.2 mm≤Δa≤0.15(W-a0)]

图6 tf的示意图

c)弹塑性非稳定断裂[Δa>0.15(W-a0)]d)弹塑性稳定扩展标引符号说明:

X—时间;Y—力。

图6 tf的示意图(续)

8.5.2力-位移曲线的平滑处理

对于力-位移曲线出现明显波动的情形,宜采用移动平均算法对力-位移曲线进行平滑处理,即按公式(6)分别对力、位移数据进行处理。

式中:

TF—平滑处理周期,根据实际平滑效果灵活确定;

xk—待处理力或位移原始记录数据,k=1,2,…,n;

Fk— 移动平均平滑处理后的力或位移数据 。

典型的力-位移曲线见附录C。

8.6 Es、KId和JId的测定

8.6.1动态断裂收能量Es的测定

对平滑处理后的力-位移曲线按公式(7)进行计算得到试样的动态断裂吸收能量Es。

Es =∫qf 0Fdq………………………… (7)

式中:

qf—试样完全断裂时的加载线位移。

注:材料的动态断裂吸收能量与试样的约束状态存在直接关系,试样尺寸、裂纹尺寸、外部约束形式都会改变材料的动态韧-脆转变特性,进而影响材料的动态断裂吸收能量大小。

8.6.2动态断裂韧度KId的测定

8.6.2.1概述

对于发生脆性断裂的情形,可按照本节测定其条件动态断裂韧度KQd,并通过有效性判定是否为临界动态断裂韧度KId。

8.6.2.2临界载荷FQ的确定

8.6.2.2.1将试验载荷-位移曲线进行移动平均平滑处理,得到平滑的载荷-位移曲线。

8.6.2.2.2如图7所示,从原点作直线OFd,该直线的斜率比记录曲线的线性部分OA的斜率低ΔF/F倍。ΔF/F的值应满足下述要求:

a) 对于三点弯曲试样,ΔF/F=0.04;

b) 对于紧凑拉伸试样,ΔF/F=0.05。

图7中的Ⅰ型和Ⅱ型曲线Fd之前的最大力是FQ,图7中的Ⅲ型曲线Fd=FQ。

标引符号说明:

X—载荷线位移(q);

Y—力(F)。

注:原点O不一定是载荷与位移轴的交点处,点O位于记录的初始线性段的最佳拟合线与位移轴的交点处。

图7 FQ的确定

8.6.2.3 KQd的计算

三点弯曲试样的KQd按公式(8)计算。

KQd=［S/W×F_Q/(BB_NW)］［g₁（a₀/W）］………………………… (8)

式中:

g₁（a₀/W）=3（a₀/W）^0.5［1.99-（a₀/W）（2.15-3.93a₀/W+2.7a2 0/W²）］/［2（1+2a₀/W）（1-a₀/W）^1.5］

S—跨距,见图3。

紧凑拉伸试样的KQd按公式(9)计算。

K_Qd=［F_Q/(BB_NW)^0.5］［g₂（a₀/W）………………………… (9)

式中:

g2（a₀/W）=［2+（a₀/W）［0.886+4.64（a₀/W）-13.32（a₀/W）²+14.72（a₀/W）³-5.6（a₀/W）⁴］/（1-a₀/W）^1.5

8.6.2.4 KId的有效性判定

测定材料在动态加载下的屈服强度Rpd的拉伸试验应变速率应接近根据8.5.1估算的材料裂纹尖端等效应变速率。如满足公式(10)条件,则KQd即为满足有效性条件的临界动态断裂韧度KId。

a₀≥2.5（K_Qd/R_pd）²且B≥2.5（K_Qd/R_pd）²且(W-a₀）B≥2.5（K_Qd/R_pd）²………………………… (10)

式中:

KQd—KId的条件值,单位为兆帕米的二分之一次方(MPa·m1/2);

Rpd—材料动态加载下的屈服强度,单位为兆帕(MPa);

a0—初始裂纹长度,单位为米(m);

B—试样厚度,单位为米(m);

(W-a0)—试样宽度与初始裂纹长度之差,单位为米(m)。

8.6.2.5 dKd/dt的测定

绘制载荷F随时间t变化的曲线。如图8所示,对最符合线性规律的F-t数据进行线性拟合,延伸该线性拟合直线,取直线与横坐标轴交点到临界载荷FQ所对应横坐标之间的时间增量为脆性启裂时长tm(见图8),则dKd/dt按公式(11)计算。

d_Kd/d_t=K_Qd/t_m…………………………(11)

图8 tm的确定

注:最符合线性规律线性拟合中的R2不小于0.9。

8.6.3 Jd阻力曲线和临界动态断裂韧度JId的测定

8.6.3.1概述

对于发生延性裂纹扩展的情形,可按照8.6.3测定其Jd阻力曲线和条件动态断裂韧度JQd,并通过有效性判定是否为临界动态断裂韧度JId。试验加载过程中的实时裂纹长度可参照附录D推荐的规则化法确定。

8.6.3.2 J的计算

对于三点弯曲试样,J按公式(12)和公式(13)计算。

式中:

η(i)=1.9,γ(i)=0.9;

ΔUp(i)由公式(14)计算。

式中:

C(i)—试样基于裂纹长度ab(i)的加载线弹性柔度系数。

对于紧凑拉伸试样,J按公式(15)和公式(16)计算。

式中:

ΔUp(i)由公式(14)计算,其中,柔度系数C(i)由公式(17)计算。

8.6.3.3 Jd阻力曲线

8.6.3.3.1 Jd与Δa的断裂阻力曲线由8.6.3.2得到的数据点组成(见图9)。

8.6.3.3.2过Δa最大数据点作钝化线的平行线与横坐标轴交于一点,此点的横坐标值定义为Δamax。Δamax应满足公式(18)。

0.5≤Δamax≤0.25(W-a0) 

Jd=3.75RmdΔa…………………………(19)

式中:

Rmd—动态抗拉强度。

过Δamax作钝化线的平行线定义为有效裂纹扩展量的右边界线。

标引符号说明:

X—裂纹扩展量(Δa),单位为毫米(mm);

Y—断裂阻力(J),单位为千焦每平方米(kJ/m2);×—试验数据。

至少需6个数据点。每一个裂纹长度区间应至少包含一个数据点。

a钝化线。

b拟合曲线。

c左、右边界线。

d不同的裂纹长度区间。

图9测定Jd阻力曲线的数据点分布

式中α和β≥0,0≤γ≤1。

注:估算α、β和γ常数的方法见GB/T 21143—2025的附录M。

8.6.3.3.5在估算材料裂纹尖端应变速率后,可开展材料在该应变速率下的拉伸试验,获得该材料动态加载下的屈服强度Rpd和动态抗拉强度Rmd,以计算材料Jd,max。每个试样的Jd,max按公式(21)、公式(22)和公式(23)计算,取其中的最小值。

按照上式计算的最小Jd,max作Jd-Δa阻力曲线的上边界线。

8.6.3.4 JId的测定和判定

8.6.3.4.1按照8.6.3.3绘制拟合Jd阻力曲线,应在0.1 mm和0.3 mm钝化线偏置线之间至少有一个数据点,在0.1 mm和0.5 mm钝化线偏置线之间应至少有两个数据点(见图10)。按照公式(20)拟合的曲线应至少包括6个数据点。

8.6.3.4.2在图10上偏置0.2 mm处作钝化线的平行线。拟合曲线与0.2 mm偏置线的交点定义为JQd。

标引符号说明:

X—裂纹扩展量(Δa),单位为毫米(mm);

Y—断裂阻力(J);×—试验数据。

要求至少6个数据点。

a钝化线。

b应至少一个点。

c应至少两个点。

d按照图9的数据分布区域。

图10测定JQd的数据点分布

8.6.3.4.3测定材料动态加载下的屈服强度Rpd和动态抗拉强度Rmd的拉伸试验应变速率应接近根据

8.5.1估算的材料裂纹尖端应变速率。如JQd满足以下条件,则JQd是非尺寸敏感的,可判定为JId。

a)JQd<Jd,max;

b)20JQd/(Rpd+Rmd)≤a0;

c)20JQd/(Rpd+Rmd)≤B;

d)20JQd/(Rpd+Rmd)≤(W-a0);

e)Jd-Δa曲线在0.2 mm裂纹扩展位移偏置线交点处的斜率(dJd/da)Q满足公式(24)要求。

ç÷<1.875Rmd…………………………(24)

8.6.3.5 dJd/dt的测定

绘制Jd随时间t变化的曲线,对0.5JQd~JQd范围内的Jd-t数据进行线性拟合,其斜率即为dJd/dt。8.6.3.6多试样试验

通过多试样法测定动态Jd-Δa阻力曲线,当稳态裂纹扩展了特定量Δa时,中止断裂过程,重复试验直到有足够多的有效数据点绘制Jd-Δa阻力曲线。

8.6.3.7单试样试验

载荷分离法可由试样的载荷-位移曲线结合打开的试样断面测量的初始和最终裂纹长度,标定出试样的实时裂纹长度,确定Jd阻力曲线。载荷分离法指南见GB/T 21143—2025中附录E,该方法适用于本文件。采用规则化法测定实时裂纹长度的方法见附录D。

8.6.3.8试验后的裂纹长度测量

试样在试验后应被打断,进行断口检查测定原始裂纹长度a0及在试验过程中发生的稳定裂纹扩展量Δa。测量原始裂纹长度与稳定或不稳定裂纹扩展量时,应采用GB/T 21143—2025规定的方法(即9点平均法)。无论何种情形,均应在报告中记录不规则裂纹前缘的情况[3]。

注1:对于某些试验,有必要在试样打断之前标记出稳定裂纹扩展的范围。稳定裂纹扩展量能通过加热着色(氧化发蓝)或试验后二次疲劳的方法标记。注意尽量减小试验后试样的变形。对于具有韧脆转变特性的材料一般预先冷却试样,有助于确保打断试样时发生脆断而减小变形。

注2:若加热着色(氧化发蓝)后试样断口上疲劳裂纹、稳定扩展裂纹与脆性裂纹间反差较小,使用显微镜测定裂纹长度时采用暗场照明或滤镜。对断口进行数码拍摄,并随后借助数字化图像分析软件更有助于获得可靠的结果。

9试验结果的数值修约

试验测定的性能结果数值应按照相关产品标准的要求进行修约。如未规定具体要求,应按照以下要求进行修约。对于KId,KQd以及JId,JQd,Jd,max应保留三位有效数字;对于Es应准确到0.1 J。修约的方法按照GB/T 8170执行。

10试验报告

试验报告应包括以下内容:

a)本文件编号;

b)材料信息;

c)试样类型及尺寸;

d)裂纹尺寸;

e)试验设备;

f)试验温度;

g)加载速率;

h)试验结果。