1、中华人民共和国航空工业标准HB 7572-1997 金属材料(人字形缺口)平面应变断裂韧度试验方法1997-09-23发布1997-10-01实施中国航空工业总公司批准前言本标准等效采用美国ASTME1304 -89金属材料平面应变(人字形缺口)断裂韧度标准试验方法。本标准的试样形状、试验程序、测量和数据处理等均采用ASTME1304的规定。夹具和引伸计根据我国航空工业实际情况进行了改进。尺寸公差按国家标准标注。本标准适用于绝大多数金属材料。与常规断裂韧度测试方法不同，具有以下特点:1.不需要预制疲劳裂纹，可以用于较脆性材料的断裂韧度测试;2.由于人字形缺口的约束很强，试样可以做得很小，适用于
2、新材料研制及取样尺寸受到限制的零部件的断裂分析;3.用本标准测得的断裂韧度与K1C不同，通常大于或等于K1C值。本标准的附录A是标准的附录。本标准由航空工业总公司航空材料热工艺标准化技术归口单位提出并归口。本标准由航空工业总公司航空材料研究院和三二O厂起草。本标准起草人:黄新跃、杨永安、吴学仁、唐保林、蒋敏、傅道祥、王哗。中华人民共和国航空工业标准金属材料人字形缺口平面应变断裂HB 7572-1997 韧度试验方法1 范围本标准规定了用两种形状的人字形缺口试样测定金属材料平面应变断裂韧度KIV、K町、KM.i值的试验方法。本标准适用于室温(15-30C)条件下测定金属材料的断裂韧度。2 引用标
3、准下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB 228-87 金属拉伸试验方法GB 4161-84 金属材料平面应变断裂韧度试验方法GB 12160-90 引伸计标定与分级方法3符号及定义3.1 符号本标准所用符号见表1。表1符号、术语及单位符号术语SRV 圆形截面人字形缺口平面应变断裂韧度试样SBV 矩形截面人字形缺口平面应变断裂韧度试祥b SBV试祥宽度d SRV试祥直径B 试梓宽度或直径B=b(SBV) , B= d(SRV) 中国航空工业总公司1997-09-2
4、3发布单位mm 1997-10-01实施1 HB 7572-1997 表1(完)符号术i晋单位L 试样t主度w 试样有效长度s 试祥切口深度x 试祥切口到加载线的距离T 试样切口宽度nun t 试样人字形槽宽度H 矩形试样半高度句加载线到人字形韧带尖端之间的距离a 临界裂纹长度申试样人字形韧带夹角() 中试祥人字形槽夹角Kr 应力强度因子Krv K町人字形缺口试样的平面应变断裂韧度KJVM MPa /i Kgv Krv的条件值K啊K町的条件值K即MKJVM的条件值Y 应力强度因子系数Y; 最小应力强度因子系数r 加载斜率比r, l恼界加载斜率比e. 初始弹性线的倾斜角电有效加载线的倾斜角()
5、a, l临界裂纹长度时的倾斜角2 HB 7572-1997 表l(完)符号术语单位P 外加载荷Pc i临界失稳载荷kN PM 试验时达到的最大载荷V 试祥裂纹嘴张开位移)马零载荷线上两条有效加载线之间的长度mm .X 平均载荷线上两条有效加载线之间的长度k .X，J，坏的比值。材料的有效屈服强度(马=aro.2) MPa 3.2定义本标准采用下列定义。3.2.1 人字形缺口试样z具有人字形韧带的缺口试祥。根据截面形状分为圆形(SRV)和矩形(SBV)两种试样，如图1所示。3.2.2 应力强度因子K，:在各向同性线弹性体中.1型裂纹尖端的应力场强度。3.2.3 人字形缺口试样平面应变断裂韧度zK
6、lV:裂纹具有稳态扩展特征的断裂韧度zKlVJ裂纹具有突进扩展特征的断裂韧度;KlVM:根据最大试验载荷马计算的断裂韧度。3.2.4 应力强度因子系数y:与外加载荷和试样几何形状有关的无量纲量。3.2.5 临界裂纹长度电:试祥的最小应力强度因子系数Y;对应的人字形缺口试样韧带上裂纹的长度;或在满足线弹性断裂力学条件下出现的最大载荷时的裂纹长度。3.2.6 I自界加载斜率比fc:试样的最小应力强度园子系数Y;对应的加载斜率比。3.2.7 裂纹稳态扩展z人字形缺口试样的裂纹扩展是缓慢而连续的，显示光滑的载荷-位移曲线。3.2.8裂纹突进扩展:人字形缺口试样的裂纹扩展是跳跃而间断的，显示锯齿状的载荷
7、-位移曲线。3.2.9 高点(G):在载荷-位移图上，卸载时反向位移的起始点。3.2.10 低点(D):在卸载一再加载线的再加载段上，相当于二分之一高点载荷的点。3 HB 7572-1997 定位锥窝/ a) SRV试样定位锥窝里a., b) SBV试样图1两种人字形缺口试样示意图4试验原理4.1 本标准以线弹性断裂力学的分析为基础，通过对人字形缺口试祥施加拉仲裁荷使裂纹扩展进行断裂韧度测试。试验载荷和裂纹嘴张开位移用X-y记录仪记录，裂纹长度间接地用加载斜率比r估算。载荷-位移曲线特征取决于试样的几何形状、材料的塑性、残余应力影响和材料的裂纹扩展特征。4.2 对具有裂纹稳态扩展特征的金属材料
8、，当载荷很低时，裂纹在人字形韧带的尖端起始，每当裂纹向前扩展时，裂纹前缘变宽，只有载荷增大裂纹才能继续扩展。当裂纹前缘的宽度约为尺寸B的二分之一时，载荷达到最大。试验中应有两个卸载-再加载循环过程，用于估算裂纹长度，确定临界载荷，计算断裂韧度KlV。4.3 对具有裂纹突进扩展特征的金属材料，在加载到相当高时，裂纹并不扩展，当载荷再增加时，裂纹突然向前扩展，相应的载荷可能降低5%或更多，随后裂纹停止扩展，如此反复直到断裂。试验中应有多个卸载-再加载过程，用于估算裂纹开始突进扩展时的裂纹长度，确定突进载荷，计算断裂韧皮K呵。5试验装置4 HB 7572 -1997 5.1 试验机可以采用各种拉力试
9、验机，但应具备戴荷与位移自动记录装置，并满足GB228-87中6.1条的要求。5.2突具夹具的结构应使摩擦力对试验载荷的影响减至.小，夹具硬度应不小于45HRC，推荐的夹具如图2所示。v 1. 15B _j_一0.35B 唱-+响。NEm-y-a阴C-寸-1.25B 试验用夹具图5.3 H申计5.3.1 引伸it应能准确地测量试样加毅线上的裂纹嘴张开位移，精度为O.5mm。引伸计应能稳定地安装在试拌上，当试样断裂或失稳时.引伸it应能自行脱开而不损坏。推荐一种双悬臂夹式引伸计如图3所示。5.3.2 应在每次试验前tl(GB 121对引伸lt进行标定，号If审计的线性应当满足每个位移读5 图2H
10、B 7572-1997 数与用最11、二乘法拟合的直线之间的最大偏差不大于土O.25皿皿。5.3.3 引伸计两臂采用弹簧夹或橡皮筋夹住，夹捋力应不大于试验时量大载荷的0.5%。，口图3号11中计图h一叫一呻6试将及其刷备6.1 试样形状试样形状如图4、图5所示，有两种缺口形状s直切口和斜切口。定位!禽x 厂AA-A W L 回4SRV试样图6 注W/B=1.45 WIB=2. 可f A 6.2 试样尺寸HB 7572-1997 X 定位罐lI(.JC. I 1 . 过i为斜哲UI图5SBV试样图6.2.1 试样各部分的尺寸比例及公差见表200(.) b 、- - . 直切口、 , , 6.2.
11、2 试样尺寸的确定与材料的断裂韧度和有效屈服强度有关。试样宽度或直径尺寸B应满足:B注1.25 KIVI a，)或B注1.25(K町/鸟).为了保证试验数据有效，可预先估计一个校大的尺寸。6.3试样目l备6.3.1 裂纹面取向和裂纹扩展方向的标注tt.;GB 4161 -84中5.3.1条的规定。6.3.2 试样人字形丰田底的几何尺寸如图6所示。人字形槽可以采用铝丝线切!JJ加工.铝丝直径应不大于0.020B;亦可用薄锐刀(锐刀直径不小于5.0B)加工。为使人字形韧带尖端足够尖锐.句应在加工人字形槽时自然形成。6.3.3 试佯上定位锥窝中心的连线应与人字形槽平面垂直，偏差应不超过士2.。7 符
12、号B w . 直切口5 斜切口直切口X 斜切口直切口T 斜切口t 1 H 7试验程序7.1 试得数量HB 7572-1997 表2人字形缺口试样尺寸比例W/B1.45 W/B2. B B 1. 450B 2.创lOB0.481B 0.4B 0.15OB 0.15OB 0.13OB 0.13OB 0.1B 0.1B 0.05OB 0.05OB 0.350B 0.350B 。.313B0.313B 0.03OB 0.03OB 54.6. 34.7. 0.5B 0.5B 民运0.010B阪词。03B图6试祥人字形精底示意图一组试样的数量应保证至少获得三个有效试验数据。7.2 试样尺寸测量公差:t 0
13、.010B 士O.5B土0.010B:t 0.010B :t O.3B 士O.3B土O.5B士O.5B士0.5:t o.5B 7.2.1 B的测量:至少在三个等问隔位置上测量B值，准确到0.02mm.取测量的平均值作为8 HB 7572-1997 B值。7.2.2 L的测量:在试样两端头上测量L.准确JJO.02mmo7.3试验过程7.3.1 试祥的安装如图7所示。用试验机的位移控制使两个夹头靠拢，将试祥缺口放在夹具刀口上，然后操作试验机使夹头刚好拉住试祥。7.3.2两夹头的加载线对中误差应在0.01B范围内，试样与夹头的加载线对中误差应在0.05B范围内，可以在试样和夹具之间用厚度为(0.0
14、50士0.003汩的垫片帮助定位，在开始加载前取下垫片。橡皮筋U型夹垫片夹具试样引伸汁图7试样在试验机上的安装示意图7.3.3调整载荷和引伸汁的输出信号，使初始加载线与位移轴成约70角，估计的最大载荷要超过记录纸宽度的1/2。7.3.4 试验加载速率应不大于2mm/mino7.3.5对裂纹稳态扩展材料，必须卸载一再加载两次，如图8所示。卸载应卸到高点载荷的3%-10%。第一次再加载的加载斜率比约为1.丸，第二次再加载的加载斜率比约为0.8r.k值见表3)。9 HB 7572-1997 。cP V 图B裂纹稳态扩展P-V曲线图表3最小应力强度因子系数Y;和临界加载斜率比L试梯形式W/B ,/W
15、H/B ym - r, 1. 45 0.332 0.50 25.11 0.62 SBV 2.00 0.200 0.50 29.90 0.30 1. 45 0.332 29.21 0.52 SRV 2.00 0.200 36.25 0.28 J. 一一一-7.3.6 对裂纹突进扩展的材料，在裂纹发生突进后卸载(裂纹突进后载荷往往下降5%以上).卸载应卸到高点载荷的3%-10%。为保证在加载斜率比为1.2r,-0. 8r，范围内至少有两次卸载一再加载循环.应多进行几次，如图9所示。7.3.7 为了保证卸载-再加载循环的加载斜率比在1.2r，-0. 8r，有效范围内，可于试验前在X-y记录仪上绘制三
16、条线z从坐标原点作一条与位移输成70角的直线，作为初始弹性加载线的参考位置;作唰角为8=t四-(1. 2r，tan70)的直线，作为第一次卸载-再加载循环加载线的参考位置;作倾斜角为矿=tan -, (0. 8r，tan70)的直线，作为第二次卸载-再加载循环加载线的参考位置。10 HB 7572-1997 7.3.8 当发现载荷有明显失稳下降时，可以先停下试验机，取下引伸计，然后把试样拉断。有效范围Pt O.8re o v 图9裂纹突进扩展P-V曲线图7.4断口形貌观察将试样拉断为两半后，观察断口上人字形韧带表面是否有缺陷或实际裂纹面与预期的裂纹平面是否偏离。当在裂纹前缘宽度为1/3B处，偏
17、离大于O.04B时，则试验无效。出现裂纹偏离可能由于下列一个或多个原因:a)试祥的人字形韧带中心不对称:b)试样上有残余应力;c)晶粒粗大或材质不均匀，明显各向异性。8 ltJr裂韧度值的计算8.1 裂纹稳态扩展材料的断裂韧度KIV值8.1.1 在PV曲线的两次卸载一再加载循环线上标出高点(G)、低点(时，通过高点、低，点划出有效加载线。在两条有效加载线之间作水平的平均载荷线，应使直线上与直线下的阴影面织相等(如图8所示).误差在:!:5%以内。8.1.2测量血和A凡，按(1)式计算其比值z= t.Xo/ t.X. (1) 如果两条有效加载线在达到零载荷轴之前来相交.凡为正值，如果相交，则A几
18、为负值。8. 1. 3 测量初始弹性加载线的倾斜角。，并按(2)式计算6，角z8, = tan-(r,tan8, (2) 式中:Tc值见表308.1.4 在P-V曲线上过两条有效加载线的交点，以与位移输成6，角作直线，与P-V曲线的交点为Pc值。条件值Kwtl(3)式计算:11 HB 7572-1997 KQV = Y Jc/(B ./W) . . . (3) 式中:Y.1ft值见表3。如果B注1.25 (Kcw/ G，沪.PM;1. 1Pc. - O. 05;);0.10.并且未出现7.4条的情况，则Kav=KlVo 8.2 裂纹突迸扩展材料的断裂韧度K.，值8.2.1 在P-V曲线上确定各
19、卸载-再加载线的高点(G)、低点(时，划出有效加载线。8.2.2 测量初始弹性加载线的倾斜角龟，和每条有效力日载线与位移辅之间的夹角儿也缸，并按(4)式计算zr, = tan6,/tan6. r2 = tan62/tan6. ._. (4) 式中:tan6.初始弹性线斜率;回n6，一第一次有效加载线斜率;tan62一第二次有效加载线斜率;四neJl第n次有效加载线斜率。r. = tan6.ftan6. 8.2.3 用内插或外插法计算裂纹突进开始时的r，值，rj值超出1.2r, -0. 8r，时应舍去。按(5)式计算各r，值相应的应力强度因子系数Y.值。Y = exp I C. + C,r +
20、C2r2 + C,r + C,r i . (5) 式中z常数项Q、c，、G、G、G见表40y-i值也可以从表5中查到。表4计算应力强度因子系数T用常数项表试样形式W/B ./W H/B G G G G G SByl) 1. 45 0.332 0.500 5.010 -9.650 20.31 -20.27 8.257 SBV) 2 0.2 0.500 4.3 -9.238 34.77 -57.24 35.25 SRyl) 1. 45 0.332 5.052 -9.488 19.78 -18.48 6.921 SRV) 2 0.200 4.163 -6.104 23.32 -37.97 23.07 注:1) 0.2PE则试验数据有效，反之则试验数据无效。A5 条件值唰按式(Al)计算:KQVM = y .lM/(B ./W). (A1) 如果B;1.25(矿，并满足A4和7.4条的要求，则试验数据有效，即:K恻=KIVMo16
