GB T 15970.9-2007 金属和合金的腐蚀.应力腐蚀试验.第9部分 渐增式载荷或渐增式位移下的预裂纹试样的制备和应用.pdf

1、ICS 77060H 25 a雷中华人民共和国国家标准GBT 159709-2007IS0 75399：2003金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验第9部分：渐增式载荷或渐增式位移下的预裂纹试样的制备和应用Corrosion of metals and alloysmStress corrosion testingPart 9：Preparation and use of pre-cracked specimens for testsunder rising load or rising displacement2007051 4发布(IS0 75399：2003，IDT)2007-12-01实施宰

2、瞀鹳鬻瓣警糌瞥鐾发布中国国家标准化管理委员会厘111前 言GBT 159709-20071SO 75399：2003GBT 15970在金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验总标题下，包括以下部分：第1部分：试验方法总则(GBT 159701-一1995)；第2部分：弯梁试样的制备和应用(GBT 1 597022000)；第3部分：u型弯曲试样的制备和应用(GBT 159703 1995)f第4部分：单轴加载拉伸试样的制备和应用(GBT 1597042000)；第5部分：C型环试样的制备和应用(GBT 159705-1998)；第5部分：恒载荷或恒位移下的预裂纹试样的制备和应用(GBT 1 597062

3、007)；第7部分：慢应变速率试验(GBT 159707 2000)；第8部分：焊接试样的制备和应用(GBT 1597082005)第9部分：渐增式载荷或渐增式位移下的预裂纹试样的制备和应用(GBT 1597092007)。本部分等同采用国际标准ISO 75399：2003金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第9部分：渐增式载荷或渐增式位移下的预裂纹试样的制备和应用。本部分作了下列编辑性修改：删除国际标准前言。本部分的附录A、附录B和附录c均为资料性附录。本部分由中国钢铁工业协会提出。本部分由全国钢标准化技术委员会归口。本部分起草单位：钢铁研究总院、冶金工业信息标准研究院。本部分主要起草人：王玮、金明

4、秀、柳泽燕、冯超。1范围GBT 1 59709-20071S0 7539-9：2003金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验第9部分：渐增式载荷或渐增式位移下的预裂纹试样的制备和应用11 本部分包括了研究金属在渐增式载荷或渐增式位移下应力腐蚀裂纹敏感性的预裂纹试样的设计、制备和应用等内容。恒定载荷或恒定位移下的试验见GBT 1 59706。本部分中的术语“金属”也包括合金。12 因为裂纹尖端需要维持弹性约束，所以预裂纹试样不适于评价如薄板或线材等薄的产品。通常适用于评价板材、棒材和锻件等厚的产品。预裂纹试样也适用于焊接件。13预裂纹试样可以通过在加载点使用单词增加载荷或位移装置定量加载。14预裂纹试样

5、的一个突出优点是。可以通过测得的数据计算出已知几何形状且承受已知应力构件的临界缺陷尺寸。如果缺陷尺寸超过临界值应力腐蚀破裂可能会发生。预裂纹试样也可以用于测定应力腐蚀裂纹扩展速率。15本试验的一个主要优点是：考虑了动态应变对应力腐蚀破裂界限值的潜在影响。16在足够低的加载速率下，本方法可以更快捷地测定KI scc值，且此值会小于或等于由恒载荷或位移方法测定的值。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本郄分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的

6、引用文件，其最新版本适用于本部分。GBT 15970，1金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第1部分：试验方法总则(GBT 1 597011995，idt 1S()75391：1987)GBT 159706金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第6部分：恒载荷或恒位移下的预裂纹试样的制备和应用(GBT 159706-2007S0 75396：2003，IDT)GBT 1 5970，7金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7部分：慢应变速率试验(GBT 159707-20001S0 75397：1989，IDT)GBT 201202 金属和合金的腐蚀 腐蚀疲劳试验 第2部分 预裂纹试样扩展试验(GBT 201202-20

7、06IS0 117822：1998，IDT)3术语和定义GBT 1 59706确立的以及下列术语和定义适用于本部分。31在加载面上裂纹张开位移的变化率rate of change of crack opening displacement at loading plane“。固定周期测量的加载点通路的挠度。GBT 159709-20071SO 75399：200332裂纹萌生时的应力强度因子stress intensity factor at crack initiationKIhII可测量的裂纹开始扩展时的应力强度。33疲劳状态下应力强度因子范围 range of stress intens

8、ity factorAKr一周期内最大与最小应力强度因子的代数差。34位移速率displacement ratedqdt在加载点轴线或远离加载线处测量的挠度增加率。4原理41 要确保构件在加工制作或随后的使用过程中不产生裂纹状的缺陷是困难的，有鉴于此，使用预裂纹试样。这些缺陷的存在对应力腐蚀破裂是敏感的，而这种敏感性对某些材料(如钛)，在光滑试样的恒载荷试验中不明显。应用线弹性断裂力学的原理，能够借助于平面应变应力强度定量地确定存在于预裂纹试样或构件中的裂纹尖端的应力状况。42对机械切口进行疲劳预制裂纹的试样，通过在施力点施加恒定载荷或位移，在化学侵蚀性介质中进行试验。目的是借助于应力腐蚀破裂

9、界限应力强度因子KI。和裂纹扩展动力学来定量地确定产生环境加速裂纹扩展的条件。43试验可在拉伸或弯曲条件下进行。试验的最重要特性是使用低加载位移速率。44 由于本方法与动态应变相关联，所以得到的数据也许与相同环境材料组合下的仅静态加载的预裂纹试样试验不同。45 殴计和寿命预测中可以应用经验数据。目的是为了保证大型构件内的应力不足以在预先存在的缺陷部位引发环境诱导开裂，或者是在设计寿命或检查周期内确保裂纹扩展量不会造成失稳破坏的危险。46 由于在裂纹尖端化学和电极电位的变化，应力腐蚀破裂受力学和电化学驱动力影响，后者可随裂纹深度、开放程度或形状变化，不仅仅用断裂力学应力强度因子描述。47力学驱动

10、力包括施加的和残余应力。在实验室试验和应用于更复杂的几何形状时，应考虑后者可能的影响。试样中的残余应力梯度可导致沿裂纹前端非均匀扩展。48 Kl”c是环境和加载条件的函数，环境应模拟实际使用条件。5试样51 总则511 凡在断裂韧性试验中，所采用的大范围的标准试样几何尺寸都可以使用。最常用的试样在GBT 159706中描述。试样具体类型可因原材料的形状、强度、对应力腐蚀破裂的敏感性以及试验目的不同而异。512基本的要求是尺寸要满足以三轴应力为主的(平面应变)条件，在此条件下，塑性变形在裂纹尖端附近受到限制，断裂韧性试验的经验表明，为了测得正确的K-。值，试样的裂纹长度n和厚度B都不2GBT 1

11、59709-2007IS0 7539-9：2003能小于25(K J。R。：)：。为保证足够的约束，应尽可能使用大试样，其a和B至少等于4(K，。Rw)2。从断裂力学的观点看，此时不能具体规定呵得到恒定Kl一值的最小试样厚度。在应力腐蚀过程中，侵蚀性环境的存在，可以降低与破断有关以及因此与限制塑性变形所需的尺寸有关的塑性值。然而为了减少约束不足的危险，推荐了类似于断裂韧性试验中使用的有关试样尺寸的规范，即：“和B不小于25(K1R。2)2(1)最好不小于4(KlR。)2(2)式中的K J是试验中外加的应力强度，单位为MPam。最后测定的界限应力强度值应该取代式(1)中的K，以检验其有效性。第一

12、个表达式中的KI来替代应力强度极限值以检验试验的有效性。513如果试样是用来测定Kl“c，那么初始的试样尺寸可按材料KI。的估计值来考虑(开始最好将K Jsct：值估计得高一点，因此采用较实际需要大一些的试样)，在实际使用中，如遇到所用的材料的厚度不能满足有效的条件时，只要能清楚说明所测得的临界应力强度值只与此特殊应用有关，那么可以使用相同厚度的试样做试验。在需要测定作为应力强度函数关系的应力腐蚀裂纹扩展行为时试样尺寸应按测定裂纹扩展速率的最高应力强度估计值确定。514根据试验材料的形状、现有的实验装置以及试验目的，试样的几何形状可以在很宽范围内进行选择。可以使用下面两种基本类型的试样：a)

13、用于拉伸加载的试样；b)用于弯曲加载的试样。这表示可以在弯曲或拉伸加载条件下研究裂纹的扩展。试样可用来测定K。或裂纹扩展速率。用一组带预制疲劳裂纹的试样通过应力腐蚀裂纹萌生测定KI”c。因为试样暴露在试验环境中时是加载的，所以应避免出现不必要的孕育期。515可以通过许多连续监测方法进行裂纹长度测量，例如电阻方法。516原则上弯曲试样可在相对简单的悬臂粱试验机上进行试验，但受拉伸加载的试样则要求在托伸试验机上进行。52试样设计521 试样可拉伸或弯曲加载。根据不同设计，拉伸加载试样在裂纹尖端主要受拉应力(类似于中心裂纹板这一类远拉伸型试样)或者包含明显的弯曲应力(类似于紧凑拉伸这一类的裂纹线加载

14、型试样)。裂纹尖端存在的明显的弯曲应力在应力腐蚀试验中能反过来影响裂纹通道的稳定性，并且对某些材料能促进裂纹的分叉。弯曲试样可以按三支点、四支点或悬臂弯曲装置加载。522裂纹线弯曲会导致裂纹扩展具有偏离平面的倾向，可以通过在试样上开侧面槽来控制。523许多几何形状试样具有独特的优点，从而被广泛的应用于渐增载荷或渐增位移应力腐蚀破裂试验。这包括：a)紧凑拉伸(CTS)试样，材料用量最少；b)悬臂梁弯曲试样，易加工且试验费用低；c)C型试样，可由厚壁圆筒加工。从而研究纵向裂纹的径向扩展。图1图3给出各类标准试样的设计详图。GBT 159709-2007IS0 7539-9：2003皑且 X_d+I

15、釜2+5 2w+5口1削4单位为毫米宽度一W厚度B一05W切口宽度N一0065W最大(如果W：25 mm)或15 Illin最大(如果w25 mm)有效切口长度一025W045W有效裂纹长度“=045W055圈1 悬臂梁试验试样的比例尺寸和公差_一GBT 159709-2007IS0 7539-9：2003单位为毫米f 阿陌瓦可可一竺沁 黝 号， 、 L d Ittm 4k| 口囤令舅 ， 一I溺乒 XXdkIRuO 4可黝【04 占0 8 匝lJ旭4l KICI 叫司净宽度=W总宽度C125W最小厚度B=05W半高H一06W孑L直径D-025W于L外边缘之间距离的一半F一16D缺口宽度No0

16、65W最大有效缺口长度f一025W040W有效裂纹长度n一045W055W图2紧凑拉伸试样的比例尺寸和公差GBT 159709-2007SO 75399：2003。， 一钐钐寺7，单位为毫米净宽度一W厚度B-050W士001W孔轴线到内径切线X一050W土0005W切口宽度N 15 mmNO1W切口深度J=03WL轴线到试样面Z一0 25W士0 01W孔轴线到外表面r一0Z5W00IW孔的直径D一025W士0 005W注：所有表面都应平行和垂直，偏差在0002W范围内“E”表面垂直于“y”面，偏差在002W范围内。圈3 C形试样的比例尺寸和公差524如果需要的话，例如，在难以准确地控制疲劳裂纹

17、的萌生和(或)扩展的情况下，不妨采用如图4中所示的人字形切t：l试样。必要时，此缺口的角度可以从90。增加到120。525在需要测定裂纹张开位移的场合，安装引伸计的刀13可以加工成如图5a)所示的切口。切口也町分别用螺栓固定或粘在试样切口相对的两侧，如图5b)所示。图6给出了一种适用的锥形粱引伸计详图。GBT 159709-2007150 7539-9：2003L单位为毫米丌 弋1 H 2+5 2+58用60。刀具铣，对于全部试样切口根部半径最大为03。图4人字形缺口7GBT 159709-2007IS0 75399：20038a)整体形式勿勿殄b)螺钉形式注：假设能够保证足够的强度，那么上面

18、刀LI可用粘合剂固定。图5引伸计刀口的位置单位为毫米GBT 159709-20071S0 75399：2003目 庀 、l三三三三I 心 夕厂 ， 八l皇；车鼻一注丢I。屿 一8)安装在试样上的引伸计I80 27628如果由随后的两个试验测得的K。值相差不超过5(或K，。值所需的精确度)，那么这两个值中较低的值可以被认为是KQscc的初步值。7629如果时间允许，KQscc的初步值的可靠性可以通过进一步的应力腐蚀试验来核实，位移速率要低于7628中应用的速率，减少系数是510。如果该试验显示出K】1。的测量值进一步的减小那么有必要进行进一步试验。此外，可以通过绘制KI的测量值和位移速率的函数曲

19、线，看曲线是否渐进Koscc值，如图13中所示，可获得取决于Kl的位移速率的一些信息。崞0l(mmh)图13应力强度因子初始值与施加位移速率的函数关系763试验结果的有效性当KcKI“时试验结果有效，下述情况无效：a) 后三个测定值中的任意两个之间的差超过25W；b)最大和最小裂纹长度之间的差超过5W；c) 疲劳裂纹面的任一部分所处的平面偏离切口平面超过10。；1 8GBT 159709-2007150 7539-9=2003d) 疲劳裂纹不在一个平面上，即存在多核效应，矿 、2e)因子25f!业j大于试样的厚度和或裂纹的长度；、1-pO 2，f) 疲劳裂纹长度存在不确定性。77裂纹速率测定7

20、71条款76中进行的试验，与KI soc(或KQscc)相一致的Kl。的屈服值可用于确定环境裂纹扩展速率，可以作为平均数据或应力强度因子K的函数，附录B给出了方法。为了测定这些数据，应破坏掉试样。然后通过显微镜法检查断裂面。772应测量最终裂纹前端，测量精度尽可能在05内。在两边和0。25B、050B和075B位置处，这五点测量的平均值作为有效的最终裂纹长度m。773用最终裂纹长度和初始裂纹长度的差值(ntn。)除以裂纹萌生和试验终止的时间差，获得平均裂纹速率aAt。8试验报告试验报告应至少包含以下信息：a)详细描述试验材料，包括化学成分、组织状态、力学性能、产品类型和截面厚度。测定Ki。(或

21、如果不遵从有效性准则时，则为KQ)；b)试验机和测量裂纹长度的设备以及测量精度c) 环境箱和所有用于环境监控的设备d)溶液的初始组分、pH值、充气程度(或其他相关气体的浓度)，流动状况、温度和电极电位。根据再循环速率，用流经试样的近似线性速度来说明流速；注：应指出使用的参比电极#应报告电位和参照的合适的标准电极(例如：在25下的标准氢电极或饱和甘汞电极)I在整个试验期间这些参数的变化。e)试验初始步骤；f)在试验期间环境或加载的瞬间变化(包括试验中断)，说明特征和持续时间以及相关的裂纹长度；g)对于每个试样：1)试样类型和加载方式2)厚度B(如有侧面槽则为B。)，单位为毫米(ram)j3)宽度

22、w，单位为毫米(ram)；4)疲劳预裂纹：1)裂纹扩展终止段的疲劳强度因子K r；|1)疲劳载荷比R；1ii)预制裂纹期间的温度和环境。5)疲劳预裂纹的长度46)初始应力强度KI7)暴露在环境中的初始时间及总的试验时间；8)是否发生稳定的裂纹扩展#9)裂纹平面和扩展方向，如图10所示标记。h) 使用的位移速率范围；i)K。一值(如果不满足有效判据，则为KQscc)，要注明测定的位移速率和判断准则；j)裂纹扩展数据(平均值或作为应力强度的函数)。GBT 159709-2007ISO 7539-9：2003附录A(资料性附录)恒位移速率试验中确定K1。的合适位移速率的测定A1 总则为了评价系统的K

23、I一值，此方法假设在腐蚀性环境试验中的位移速率(dqdt)。可以通过在惰性环境中测量的裂纹扩展速率(dadt)，。与环境诱导破裂平稳阶段的裂纹扩展速率(dadt)。c的比值，依据(dqdr)一；：；：罟羔(dqdr)而估计得到。环境诱导破裂的裂纹扩展速率(dadt)一可在试验中合理的时间内得到，使用高应力强度可避免长孕育期。根据GBT1 59706使用紧凑拉伸试样、DBC试样或WOI。试样，在充分的裂纹扩展后终止的恒位移试验可获得粗略的(dadt)”c估计值。阶梯式加载同样适合此目的。在同样的环境条件下，根据GBT 159707平滑试样的慢应变速率试验确定的平均裂纹速率值可作为更低的界限值。A

24、2步骤A21与随后的SCC试验试样尺寸和形状相似的试样，在空气(或惰性环境)中进行试验。加载速率产生的载荷作用点位移速率(dqdt)在01Wmin01Wh之间。试样的载荷位移行为及从试验开始的持续时间均应测量并记录。试验应持续到测得的裂纹扩展至少为01W为止。A22通过热着色或疲劳预裂标记裂纹扩展程度。A23破坏试样以便显露断裂面，并在两个侧面和025B、050B和075B三个位置处测量初始裂纹长度a。及最终的裂纹长度“t。这5个测量值的平均值应作为有效的裂纹长度a。和nr。A24平均惰性裂纹扩展速率(AaAt)可通过最终裂纹长度和初始裂纹长度的差值(n，一“。)除以当裂纹萌生和试验终止时间的

25、差得到。A25应力腐蚀破裂的裂纹扩展速率(dadt)scc可通过附录c中的任一种方法确定。A26为了确定KI scc，渐进位移试验的合适位移速率可以由公式(A1)得到：(dqdt)s(=c一05筹竽：掣等(d口d。 (A1)附录B(资料性附录)裂纹扩展速率的确定GBT 1 59709-2007ISO 7539-9：2003裂纹扩展速率dadt，是由裂纹长度与所用时间的比值(at)计算得到。如果数据有干扰或有假象，建议在计算裂纹扩展速率前，建立a与t的多项式拟合曲线，否则在裂纹扩展中可发生明显的波动。应注意确保由拟合方法获得a与t的清楚的真实波动。一个推荐方法是在GBT 201202中描述的疲劳

26、裂纹扩展速率(dadN)的递增多项式方法。这种方法涉及到拟合一个=次多项式(抛物线)，设定(2+1)个连续数据点，此处n通常为1、2、3或4。局部拟合方程式见公式(B1)： a乩帕半帕(半)2(B1)式中：一1垫；盟+】02T。试验时间，b。、b。和6。回归参数，用在4h口口。范围的最小二乘法确定；d。裂纹长度在L的拟合值。参数C。=o5(T+兀+)和c2=o5(T。一TI一。)用于定标输入数据。从上面抛物线导出在T，的裂纹成长速率。由式(B2)给出： (dn仙地=岂蚴z警与dadt有关的K1使用相应于丁i的拟合裂纹长度dt计算。(B2)GBT 1 59709-20071S0 7539-9：2

27、003C1电阻测量法附录C(资料性附录)裂纹长度的间接测方法c11直流电位降法试样被电绝缘，恒定电流横穿过裂纹平面。在铁素体钢试样净断面上使用的典型的电流密度为104 Am2105 Am2数量级，但是对于低电阻金属可能会要求更高的电流密度。在裂纹平面任一侧上两点之间的电位降被检测，并且用与试验、分析或者计算得到校准值来确定裂纹的长度。在后面情况中希望进行试验验证。试验方法应很好的建立，并且试验仪器具备一定的稳定性和可靠性。由于需要很高的电流，此方法不适用于大的或低电阻率的试样。然而由这种方法的派生方法，可在这些环境中使用。这包括监测附在试样上易碎的金属箔上面的裂纹长度，测得的金属箔上的裂纹长度

28、等于下面试样上裂纹表面长度。下面是一般方法可能的误差来源：a)热阻系数的变化b)热电磁力(emfs)。可以使用一个比较仪技术来克服a)。用一块与第一个试样相似，并且在电学上与其串联，物理上与其靠近，但不循环加载的试样上两点之间测得的电位降，或者在试验中的试样上另一对探针之间测得的电位降来对横穿裂纹的电位降进行划分。对于后者，尽管试验简单，但是需要注意校准，因为两个测量电位值可随着裂纹的长度而变化。热电磁力可以用与试样材料相似的金属电压探针来消除。当两块不同金属不可避免连接时，探针应该插入一块相对大的热量块中。一个切开的边长为50 mm的中空铝块比较合适。这种方法提供了对于横穿试样的平均裂纹长度

29、的测量。它能良好的适合自动数据收集和机械控制。c12交流电电位降法电位降法分为两类：低频和高频系统。低频率系统(典型的操作范围为lo Hz100 Hz)本质上是DC法的发展。使用相位灵敏检测系统可以得到一个高的信噪比，并且因此提高了灵敏度。热电磁力也不再是一个难题了。但是，与DC法一样需要校准。高频率系统(5 kHz8 kHz)是利用在这些频率范围内的流向试样表层的电流定位。这将电流的需求减到最小，而且导致电压和不受试样尺寸约束的裂纹长度成线性关系。因此这种方法尤其适合大试样中的裂纹测量。AC的电子学系统相对复杂，而且不易达到所要求的长期稳定性。依赖于系统的特性，必须特别谨慎以避免由干扰导致的

30、伪信号。因此，由探针导线和试样表面构成的物理回路应尽可能的小并且探针导线应该缠绕在一起或使用小型屏蔽防护导线。导线应该被遮蔽以防止其移动，探针和励磁电流导线应很好的隔离。由于电压与裂纹长度的线性关系，将高频方法加入到自动监测系统中是特别方便的。C2柔度方法下列是两种最通用的方法；a) 横穿缺口的每单位载荷位移的测量GBT 159709-2007$0 7539-9：2003b)每单位载荷的承载面应变的测量。在a)中，一个合适的传感器，例如，夹式延伸仪，LVDT(线性变化位移传感器)或者安装在通过缺口处(SENB3、SENB4和CT试样)或者缺口中央(CCT试样)环形测力计。确定每单位力的位移，而

31、且通过校准与裂纹长度相关联。如果使用第二块试样，它应该被放置在与试验试样相同的环境条件下。这将确保相似的瞬时热量等性质。使用反向极性技术也可以将热量影响减到最小。“承载面应变”(BFS)方法在原理上是相似的。在这个条件下传感器是一个位于试样“承载面”上应变计桥，例如缺口对面。这种方法对于CT试样尤其成功，而且对于SENIM也可以得到预期的相似灵敏度。但由于载荷点位于缺口的对面这种方法并不适合SENB3。此方法也不适合CCT，因为这种几何形状下BFS对于裂纹的长度并不是特别敏感。由于在高频率下不存在实际的惯性效应，与其他柔度方法相比，更应优先选择BFS。位移传感器和应变计应该避免与溶液接触。以保证其完整性和避免电池影响。这些方法提供了测量平均裂纹长度的方法。非常适合自动数据采集和机械控制。