1、中华人民共和国航空工业标准HB 7623 - 1998 金属材料蠕变裂纹扩展速率试验方法1999-01-06发布1999-03-01实施中国航空工业总公司批准前言本标准是在总结了二十年来国内外开展高温断裂力学、蠕变裂纹扩展研究成果的基础上，并参考了美国ASIME1457 -92金属蠕变裂纹扩展标准试验方法而制定的。本标准提供的数据应用到元件寿命预测时，要求考虑到小尺寸蠕变、过渡蠕变以及周期加载蠕变等复杂因素。本标准的附录A是标准的附录。本标准的附录B是提示的附录。本标准由中国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。本标准由中国航空工业总公司航空材料研究院负责、3007厂参加起
2、草。本标准主要起草人2张行安、刘绍伦、社正荣、黄宏发、夏慧琴、纪艳玲。中华人民共和国航空工业标准金属材料蠕变裂纹扩展速率试验方法HB7623 -1998 1 范围本标准规定了金属材料高温铺变裂纹扩展速率试验方法的符号、定义、试样、试验设备、试验程序、试验结果处理和试验报告。本标准适用于金属材料在高温下用紧凑拉伸(口)试样施加恒定载荷，测定编变裂纹扩展速率也/dt.并给出也/dt和l裂纹尖端参量C们)的关系。本标准限制使用在大范围蠕变情况下的编变裂纹扩展;不适用于由高温腐蚀环境所引起的裂纹扩展。2 引用标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
3、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量新版本的可能性。GB 6398-86 金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法GB 8170 - 87 数值修约规则HB 5151 - 96 金属高温拉申蠕变试验方法JJG 141 - 88 工作用钳佬10-钳、饲佬13-钳热电偶检定规程JJG 276-88高温蠕变、持久强度试验机检定规宦JJG 351 - 84 工作用筷锻-镣硅、银络-考铜热电偶检定规程3符号、定义3. 1 符号本标准采用的符号、名称及单位见表10表1符号名利:(. 紧凑拉中试样W !试佯宽度B 试样厚度中国航空工业总公司1999-01-06发布单位nun nun 1999
4、-03-01实施HB 7623 - 1998 表l(完)符号名称单位BN 净厚度(侧槽试样中两侧槽根部之间距离)mm H 试样的半长度mm W-a 试样韧带尺寸mm ao 试验开始时物理裂纹长度mm a, 第i处的裂纹长度n双Ea, 总的裂纹*度mm a 总的裂纹t主度预测值口泪nt2 裂纹扩展长度预测值mm f(/w) 试样几何形状因子P 试验载荷kN p . 预制疲劳裂纹时的最大疲劳载荷险;p恤预制疲劳裂纹时的最小疲劳载荷kN V 总加载线位移mm V 加载线位移速率mmlh V , 幌时加载线位移mm Vc 和时间相关虫草变变形引起的加载线位移E皿Ve 和蠕变相关加载线位移速率mm/h
5、K 应力强度因子MPam血C (t) C星积分N/mrnh 应变速率mm/mmh da/dt 蠕变裂纹扩展速率mm/h tT 转变时间h y 有效屈服强度MPa Jp J积分的塑性分量N/mm tT 用C(t)代替C修(tT)计算所得的tTh 3.2 定义本标准采用下列定义:3.2.1 C星积分C气t):围绕裂纹前沿从裂纹的一个面到另一个面的线积分或面识分，表征-物体经受大范围蠕变状态下，在任何瞬时裂纹前沿局部应力和应变速率场。见图1。2 HB 7623-1998 y x 图1围绕裂纹尖端积分路径示意图在X-y平商内裂纹尖端平行Z轴的线性积分C(t): U C(t) J/W(t)句T可命)式中
6、:W(t)-一单位体积瞬时应力功或能量率;r一一围绕(I!P包含)裂纹尖端的积分路径:予一一在ds上外部拉应力矢量;U一一在ds上位移率矢量:2、y一一直角坐标系;ds一一轮廓回线上的增量;U T.可ds一一沿r进入闭合面积应力能率。c (t)值是和路径无关的，所试验的材料变形遵循下式规律，即总变形为时间和应力单值函数。t I，(t)元()式中:I，(t)-时间函数;1，()一一应力函数。3.2.2 总加载线位移V:瞬时加载引起的线位移V;和与时间相关蠕变变形引起的加载线位移Vc之和。3.2.3 试祥宽度W:参考平面到试祥后背表面的距离。在紧凑拉伸试祥中，参考平面是指含有加载线并和侧面正交的平
7、面。3.2.4 转变时间tT:在大范围蠕变状态下裂纹扩展需要的时间，即试样蠕变变形扩展到无裂纹带的大部分区域所需的时间。4试祥4.1 试样形状和尺寸见图.203 H 7623-1998 1.2SWt 00111 WtO.OOSW 6=0.511 王山山m.OZEroGHENFUZN 标准口试样图2物理裂纹长度。(初始缺口加上疲劳预制裂纹)在0.4-0.5W之间选取。W= 2B.推4.2 荐B值为10.15.20mm, 4 3 为使裂纹平直，可采用侧槽试样，侧槽深度为厚度的10%.倒槽角度小于9旷，根部半径为0.4mm:t0.2mm。4.4试样缺口可通过线切割、锐刀、拉刀等切割制成。4.5疲劳裂
8、纹预制z试样在室温或试验温度下预和j疲劳裂纹，疲劳预裂纹扩展到最后。64mm时，最大疲劳裁荷P血不应超过P，:p _ 0. 4BN( W -ao)吨& 一一(2W + ao) ) 或应力强度因子对杨氏模量的比值等于或小于O.。5mm山疲劳载荷准确度应在:t5%以内载荷范围将不低于最大载荷的圳，裂纹扩展到最后0.5阳时，最大疲劳载荷Pr.必须不在过蠕变裂纹扩展试验载荷。疲劳裂纹包络示意图见图丸，一L6疲劳预制裂纹后进行蠕变裂纹扩展试验，预制疲劳裂伽试验之间不允许进行中附处4.7从机械加工的缺口到疲劳预制裂纹扩展前沿长度不超过物理裂纹长度a.的5%和不少于1.3mm。4 H 7623一1998外形
9、矿产珩辑、EVZVEE由F允许裂量曹草草不允许裂靠在注-疲劳预裂绽开始端和机械切口上下两端等距离误差在O.05nun以内。因3痰劳预裂纹包络示意图直量量量试验设备5.1 试验机5. 1. 1 可采用静载或伺服加载蝠变试验机用作蠕变裂纹扩展试验，加载系统必须保证在整个试验过程中载荷恒定。5. 1. 2 试验机加载、卸载应平稳，没有冲击和颤动现象，杠杆系统应灵敏。5. 1. 3 试验机在使用范围内载荷示值误差不应超过:t1 %，示值变动值不超过1%。5.1.4试验机力值系统的检定按刀G276进行。5 5 HB 7623 199B 5. 1. 5 采用杠杆型蠕变试验机，应配备有枉抨自动调平装置，以保
10、证载荷满足5.1.1、5.1.2、5.1.3规定的要求，调平装置不能对试样产生震动、过载和扭力。5.2 cr试样夹具和固定5.2.1 U型槽和销子组合用于试样上、下部分(见图的，允许试祥加载时能平商旋转。销子直径为O.24W0 0.61. 其余号/iLLJ -一平一一ZE 川川川卢|十A 注-为便于安装引伸计角可以去掉3A-表面必须是平面。因4夹具图5.2.2销孔和U型槽尺寸均以试样宽度W确定，卡具和拉杆材料按试验温度和施加载荷水平选定。5.3 加热装置5.3.1 加热炉可采用电阻或辐射炉。在空气介质大气压下加热试祥，加热炉的均热带应不小于试祥工作部分长度的1.5倍。6 臼B7623-1998
11、 5.3.2加热装置应保证在整个试验过程中温度稳定在均热带范围内。温度波动及梯度应符合表2的规定。5.4 温度测量装置5.4.1 温度测量的方法必须灵敏和可靠，以保证试祥上温度波动和温度梯度满足表2要求。5.4.2 热电偶的校正应按JJG141和JJG351进行检定，热电偶应保持议时使用稳定，试验周期内允许变动值应符合HB5151的规定。5.4.3 温度测量系统和记录仪每年至少检定一次，按HB5151进行。5.4.4 在整个试验过程中，室温应保持在25士5C。室温突变不超过5C。表2试验温度.C温度波动.C温度梯度.Cs600 :t2 2 600-900 :t3 3 900-1100 士44
12、1100-1200 士55 注:1试验温度应包括对热电偶、补偿系统、测温仪器误差的修正。Z温度被动指实测温度与试验温度之差。3温度梯度指试样计算民度范围内，任一瞬间所有被测温度的最高值与最低值之差。5.5 变形测量装置5.5.1 试验过程中需连续地测量位移，位移的测量必须在加载线上获得，推荐采用图5所示装置。5.5.2 变形的引伸机构应如实传递试样加载点位移，位移规工作范围不大于试验过程中预见位移的二倍，位移规的准确度应该在规定满量程的土1%.在计算中从拟合数据得到的个别数据点，最大的误差不超过工作范围的士1%。5.5.3 推荐用截面自由固定的刀刃规，刀刃的平行度必须调整到保证在:tl以内。见
13、图6。5.6裂纹长度;J!lj量装置5.6.1 裂纹长度测量技术必须能够测量横过试样厚度的平均裂纹长度，在所试温度测量裂纹长度的分辨率应不低于O.lmm。5.6.2 测量裂纹长度使用电位技术，其方法见附录A(标准的附录。5.6.3裂纹长度测量的准确性，用重复测量裂纹*度并计算平均裂纹氏度的标准偏差来确定。5.7 计时装置试验机应配有计时装置，该装置应定期校正，使之准确至总时间的士1%以内。7 8 HB 7623-1998 炉子因5夹具和试样连接示意图lJJJ 轩图6测量加载线位移夹具组合示意图杆管HB 7623-1998 6试验程序6. 1 试样安装通过插入两个销钉，使试样安装在试验机上，施加
14、大约预期试验载荷10%的初载荷。6啕2热电俱安装测量试验温度的热电偶应绑在无裂纹轮廓区，裂纹平面上或距裂纹平面2-5mm处，试样宽度大于50rmn时，推荐用多根热电偶。热电偶与试样应紧密地接触。防止热辐射。整个测量回路绝对不能短路，热区域可采用陶姿绝缘器。6.3 升温6.3. 1 升温过程中带着初载荷升温。6.3.2 升温和试验过程中温度波动和温度梯度不允许超过表2的规定。6.3.3 到达试验温度后保温时间不少于lho6.3.4 升温过程中，电位系统的电流应同时接通到试样上。6.4 加载施加主载荷时，应避免冲击和民性地过载，逐渐施加载荷，监控位移，以确保引伸计位置合适，施加载荷时间应尽可能短。
15、6.5 试验过程6.5.1 试验过程中测量电位、裁荷、加载线位移、试验温度。6.5.2 采用循环数字采集系统，采样周期一般不低于15min.当试样接近断裂时，采样周期可加快到3min至lmin。6.5.3 试验过程中温度偏差超过表2规定的下限值时试验不报废，当温度偏低过程中获得的裂纹扩展数据相当于0.5mr丑时，为无效数据。6.5.4 采用电流电位技术测量裂纹长度时，应每24h内测量一次无电流的电位。6.6 试验后的测量6.6. 1 如果试验结束时，试样不断裂，则应在室温条件下拉断，最好采用循环加载破断，铁素体钢可冷却到延-脆性转变温度以下拉断。6.6.2 最好在试样断裂前结束试验，这样便于精
16、确测量最终裂纹长度，从侧槽根部向内延伸0.005 W.在试样厚度中心线9个相同距离测量裂纹长度。6.6.3 沿疲劳预裂纹前端到标志蠕变裂纹扩展的前沿测量裂纹长度，通过两个接近表面测量的平均值和余下七个裂纹长度测量结果一起计算物理裂纹长度ao及最终裂纹长度a值。测量仪器应具有0.025mrn准确度。7 试验结果处理7.1 确定裂纹长度从电位读数确定裂纹长度，最终裂纹长度预测值af减去物理裂纹长度ao即为预计的裂纹扩展长度&fo7.2试验有效性9 HB 7623-1998 7.2.1 如果满足下式再确定试验结果有效性:0.85Lla，i(af - a.) -1运1.157.2.2 物理裂纹长度:6
17、.6.3中9个物理裂纹氏度测量值的任一个比ao大10%试验无效。7.2.3 最终裂纹长度:6.6.3中9个最终裂纹长度测量值的任个比af大10%试验无效。对于后续的试样，侧槽轮廓能够进行修正使其容易满足要求。7.2.4 所有温度偏差必须在表Z允许的范围之内，否则试验无效。7.3 确定裂纹扩展速率和加载线位移速率7.3.1 根据裂纹长度、加载线位移和所对应的时间来记录数据点。第个数据点将预制裂纹长度、累积挠度和对应时间设为零，后续数据点由裂纹t主度、对应的加载线位移和时间组成。相邻数据点之间的最小裂纹扩展量是0.25mm，其最小位移的增量应不大于引伸计满量程的-0.1%，相邻读数之间最大允许的均
18、是0.02W。7.3.2 蠕变裂纹扩展速率和加载线位移速率根据裂纹妖度对时间(a对t)和加载线位移对时间(v对t)的数据确定。推荐用割线法或递增多项式方法逐步近似拟合，见附录B(提示的附录)。7.4 计算蠕变位移率按下列公式计算蠕变位移率dVc!dt或c:BN，2K2 Vc = v -一一一+(m + 1)p P L E 11 .L JJp 式中:牛一-裂纹扩展速率da/dt ; E一-弹性模量;p一-J积分的塑性分量;m一-应力指数，由霄姆勃格一奥斯古德(Ramberg-Osgood)应力-应变关系中得出=式中:Ep一一塑性应变;DI一一常数。p = D，(/马)m计算K的方程式及计算p方法
19、在附录B提示的附录)中给出。7.5 确定C(t)积分每一点C(t)积分大小由下式确定:PVc lr n 1rl, . V，(W) C(t) = 取tz丁古)2+ 0.522 W U 式中:n一一最小蠕变速率和施加应力关系曲线的蠕变指数，如果不进行蠕变试验，使用的n值和它的来源必须在报告中注明。7.6有效性的判据试验方法数据的有效性，必须满足下列有效性判据。需报告所有数据，但是对不满足下列有效性判据的数据应该分别作出标记za)只有获得数据的时间超过转变时闵行才是有效的。tT按下式估计210 HB 7623-1998 t-K2(1-J) T -E百l)C气tT)式中:v一一泊桑比。tT的计算取决于
20、C(tT )值，用下列步骤确定tT0与每个数据点相对应的时间t用上式计算什，用C岳(t)代替C(tT)otT是tT数据中的最大值。b)最初0.5mm裂纹扩展以前获得的裂纹扩展数据，属于过渡蠕变裂纹扩展的数据，是无效的。c)为保证裂纹扩展速率和C(t)瞧一相关，数据必须满足Vc/V;C的要求。C在0.5-0.8之间。当数据满足Vc/V;0. 8.是有效的;在0.5Vc/V0.8之间的数据，如果在da/dt对C(t)图中可分辩，并且与满足Vc/V;O. 8趋向是一致的，也可认为是有效的。d)如果试验过程中材料外侧的裂纹和原始裂纹扩展平丽的裂纹，取向偏差在5以上，则试验数据无效。e)累积加载线位移后
21、，所获得的数据超过0.05W.试验数据无效。7.7 准确度da/dt对C(t)的准确度是材料可变性以及裂纹长度、测量温度、蠕变位移率和施加载荷水平误差的固有函数。载荷变化士1%.能够引起C(t)值的土(6-12)%的变化;在给定的C (t)转换iUda/dt值，有土(3-10)%的变化。7.8数值修约数值的修约按GB8170进行，修约到有效数字4位。8试验报告8.1 委托试验单位;8.2试验材料及生产厂;8.3 冶金方法、炉号及规格;8.4 热处理制度:8.5 试样编号:8.6 试样取向、类型和尺寸:8.7 试验机和测量裂纹长度的仪器及其测量准确度;8.8 试验温度、相关的材料特性和被鉴别产品
22、的尺寸和类型(例如薄板、厚板和锻件); 8.9 如果试祥从大的产品中切取，给出试祥在母体中取样的位置;8.10 预制疲劳裂纹的温度、加载频率、p/miJX、Pf.;.的最终值和循环数。8.11 da/dt对C(t)曲线图，推荐C(t)是横坐标，da/dt是纵坐标。通常使用19-1g双对数座标，报告中要指明所有违背7.6有效性判据的数据。以表格形式给出a，t、da/dt、V、Vc、C(t)、K、儿、tT等数据并作图。11 HB 7623-1998 附录A(标准的附录)蠕变裂纹长度直流电位测量方法A1 CT试样输入电流和电位引线位置见图Alo通过测量U!U。并按下式计算裂纹长度zITTT_ 2 -
23、11sh(Yo!2W) I af w = -;cos 1 U . _, , coshnY./2W , , I coshUo cosh-1(百瓦为W)式中;Y1。一一输出电位引线之间的半距离，mm;U一-对应于裂纹长度a的输出电位，mV;Uo一一对应ao的初始电位.rnV。A2 直流热电势测量，在A1方程式中测量裂纹尺寸的U和U。电位，实际值可能与指示读数不同，这些不同由于热电势引起的，Uth热电势是由两个输出端接点性能或两输出端电阻的较小差别引起的。U矶的最初值必需测量，通过切断电流和记录输出电位可以得到。除测量初始值外U.仇值也应该通过在试验过程中，短时间切断电流周期地测量。在A1给出的方程
24、式中使用U和U.值前必须先减去U价值。试样顶部、底部电流输入点电位测量点图A1输入电流电压引线示意图12 HB 7623-1998 附录B(提示的附录)数据处理方法B1 割线方法割线法是在a-t和V-t的曲线上，连接两相邻的数据点计算其直线斜率，即裂纹扩展速率和位移速率分别按B1、B2式计算z(da/dt). = a;叫-a;/ t;+, - t; . (Bl) (dV/dt); = V;+l -V;)/t;叫一t;. . . . (B2) 式中:da/dt一一裂纹增量的平均速率3dV/dt一一挠度增量的平均速率;a一一平均裂纹长度，a = (a川a;/2o B2 递增多项式方法递增多项式方法
25、见GB6398-86附录AB3 K、人、C，的计算:按下式计算K:P2+a/WF =一一一一一一一一一切lja/W). (B3) .jBBNW1- a/W) 式中:j(a/w) = 0.866 + 4.64(a/w) -13.32(a/w + 14.72(a/w) - 5.6(a/w) 按下式计算Jp:Dh,a/W, m) , P m+l = .，-一一一一一一一c.A:n )m+l . . (B4) :，(W -a)lm1.455B 式中:a = (.p + 2骨+2)112 - (.p + 1) 骨一=其寸-(W - a) D、m一棚，和材料的应力应变行为有关，=/E+ D(/-，)m h
26、一-alW和m函数在表B1中列出。按下式计算C，: PVr C, =面泸南F/F. (B5) 式中:F / F = , I TTT + 11 _ I TTT + ztw+z万啊? f在B3中定义，而j = 4.64 - 26.64a/W) + 44.16(a/W) - 22.4a/W) 上述C，值仅仅作为小范围蠕变状态，在大范围蠕变下C，=Ct)。13 HB 7623-1998 表B1cr试祥在平面应变状态下的h，(a!W，m)值h, alW 皿=1m=2 m=3 m=5 m=7 m= lO m=13 m=16 m=20 0.250 2.230 2.050 1. 780 1. 480 1. 3
27、30 1. 260 1. 250 1. 320 1. 570 0.375 2.150 1. 720 1. 390 0.970 0.693 0.443 0.276 0.176 0.098 。.5001. 940 1. 510 1. 240 。.9190.685 0.461 0.314 0.216 0.132 0.625 1. 760 1. 450 1. 240 0.974 0.752 0.602 0.459 0.347 0.248 0.750 1. 710 1. 420 1. 260 1. 033 0.864 0.717 0.575 0.448 0.345 1. 000 1. 570 1. 450 1. 350 1. 180 1. 080 0.950 0.850 0.730 0.630 14
