GB/T 2038-1991 金属材料延性断裂韧度JIC试验方法

中华人民共和国国家标准

GB2038一91

金属材料延性断裂韧度it,

试验方法代替GB2038--80

Metallicmaterials-Standardtestmethodfor

J,c,ameasureofductliefracturetoughness

1主题内容与适用范围

1·1主题内容

本标准规定了金《属材料延性断裂韧度cIl试验方法》的定义和符号、试验方法提要、试验设备、试样

形状和尺寸、试样制备、试验程序、试验结果的处理、试验记录和试验报告。

1.2适用范围

1.2.1本方法测定的J,c值，与裂纹起始扩展时的J值接近，是材料启裂断裂韧度的工程估计值

1-2.2木方法不能用来评价金属材料裂纹扩展阻力的全过程。

1.2.:本方法测定的J,c值，可以转换成用应力强度因子K,表示的当量值((j=宁劝，它只能在以

弹性为主的条件下应用。在裂纹顶端以线弹性应力场为主时，该K，值对应于裂纹开始稳态扩展时的断

裂韧度值

1.2.4本方法只适用于在试验温度下裂纹能够缓慢稳定扩展，塑韧性好的材料。不适用于尚未测得本

方法规定的J-A"数据，即已产生快速断裂的材料和延性、韧性极高、抗撕裂能力极好的材料因为这种

材料很难把撕裂扩展与裂纹顶端大范围的钝化区分开。

注①高温及低温J,,试验，可参照本标准;

②本标准不涉及安全防护问题，当试验用材料对人体有害时，安全防护间题由使用者自行考虑。

1.2.5本方法采用的试样均是深裂纹、弯曲型加载为主的试样。

a.三点弯曲试样CSE(B)〕是单边裂纹梁形试样，跨度与宽度之比S/W等于4，初始无量纲裂纹长

度ao/LG在。.5^-0.75范围内。

b.紧凑拉伸试样c〔(T)〕用销钉拉伸加载，其平面尺寸比例固定不变，初始无量纲裂纹长度.,/11

在0.5一。.75范围内

。.拱形三点弯曲试样A〔SE(B)D,跨度与宽度之比S/W->2，初始无量纲裂纹长度ao/W在0.5-

0.75范围内

注:如果使用其他形状的试样，本方法规定的有效性条件不能保证试验结果的有效性

1.26本方法只适用于准静态慢速加载，且不考虑环境对裂纹扩展阻力的影响

注:在准静态慢速加载下，大多数结构材料的J值‘与加载速率无关但在动态加载或持久应力与腐蚀环境共同作

用下，将使czI值降低，故本方法测定的J]。值在工程中应用时，要对服役条件做全面考虑。

2引用标准

GB4161金属材料平面应变断裂韧度K,c试验方法

GB10623金属力学性能试验术语

国家技术监督局1991-06-22批准1992一03一01实施

GB2038一91

3术语和符号

3.1术语

3.1.1J积分(J)

围绕裂纹前缘从裂纹的一侧表面到另一侧表面的线积分的数学表达式，用以表征裂纹前缘地区的

应力一应变场。

3.1.2表观启裂韧度((J)

Ja曲线与钝化线交点相应的J值，称为表观启裂韧度

3门.3延性断裂韧度((J,}>

按本方法规定测定的J,。值定义为延性断裂韧度。它与裂纹开始扩展时的J值接近，是裂纹开始稳

态扩展时.I的T程估计值

3.1.4Ja曲线

J积分与裂纹扩展量Aa的关系曲线，即J-N.曲线。本方法规定按J=C,Ad,纂乘关系拟合Ja曲线，

C，‘:是与材料有关的常数。

注:1,曲线只代表金属材料裂纹扩展阻力曲线的初期阶段。而不能代表全过程

3.1.5有效屈服强度(w)

为考虑塑性屈服对试验参数的影响而给出的单轴屈服强度的假定值。本方法规定，有效lll}服强度

、是屈服强度ao2与抗拉强度。。的平均值

3.2符号

B—试样厚度，MM;

B一一带侧槽试样的净截面厚度,mm;

B,一有效厚度，MM;

B.=R一(B一B,V)'IB

w—试样宽度，mm;

—‘弯曲试样加载跨距，mm;

初始裂纹长度的平均值，mm;

裂纹长度的平均值,mm;

\a-裂纹扩展量.mm;

Aa一a一a。

a;—第，次卸载再加载时，用柔度法计算的裂纹长度,mm;

，」—第:次卸载再加载时，用柔度法计算的裂纹扩展量,mm;

b,—初始韧带尺寸，mm;

石。导W一ao

b-剩余韧带尺寸，MM;

L=】犷一a

GB2038一91

a—屈服强度(有屈服点时，取。，否则取。u.z),MPa;

I,-抗拉强度，MPa;

听—有效屈服强度,MPa;

二一告(、+、)

F,—弹性模量,MPa，一般钢取2.O6XlO'MPa(2.1X10'kgf/mm');

EM-一有效弹性模量，MPa;

v—泊松比，一般钢取0.3;

A-施力点位移，mm;

V-裂纹嘴张开位移，MM;

尸—载荷，kN;

Pa卸载点的载荷，kN;

P}—极限载荷，kN;

P，二。、—最大疲劳载荷，kN;

P,,..—最小疲劳载荷,kN;

AP-载荷幅值，kN;

J—J积分，kJ/m';

J,—J的弹性分量,kJ/m';

.1,-J的塑性分量,kJ/m';

Jo-J、的暂定值，kJ/m';

U—外加载荷对试样做的形变功，kJ;

叽—形变功的塑性分量,kJ;

K,一应力强度因子，MPam乞

Co—试样的初始裂纹张开柔度,mm八N,

C.",—试样初始加载线的弹性柔度，mm/kN;

C;—第;次卸载再加载时的裂纹张开柔度,mm八N;

C-—第:次卸载再加载时的加载线柔度，mm/kN;

C.-C(T)试样进行转动修正后的弹性柔度，mm/kN,

4试验方法提要

4门本方法米用疲劳顶制裂纹试样，三点弯曲加载或用销钉拉伸加载.测足J与裂纹扩展量的关系试

验过程中可以对载荷一施力点位移进行数值采样，或在X-Y记录仪上绘制P-d曲线。将测得的J值对裂

纹扩展量加作图。在规定的裂纹扩展量范围内，至少要有四个试验点。用最小二乘法按幂乘关系拟合J

与Aa的曲线JR。根据材料的有效屈服强度，按规定求出钝化线方程，在J-Aa图上作钝化线。偏置

0.2mm作钝化线的平行线。偏置线与幕乘拟合线的交点对应的J值记为JQ，如果本方法规定的有效性

条件均被满足，定义J。为J.o

4.2为获得J与从的关系曲线，可以采用两种方法。第一种方法至少需要5个形状及几何尺寸完全相

同的预制裂纹试样，分别加载到不同的裂纹扩展量;用光学方法在断口上测定裂纹长度，然后把测得的

J与Aa作图，得到JR曲线;这种方法称为多试样法。第二种方法只需一个试样，称为单试样法，用弹性

柔度或与之相当的其它间接方法求出试样的裂纹长度及扩展量。

5试验设备

5门试验机

GB2038一91

可以采用各种型式的材料试验机，但其准确度等级必须满足国家计量部门规定的1级或。5级的

要求。

5.2记录装置

试验系统应配备载荷及施力点位移的自动记录装置，试验过程中可以用数字采样或用井丁记录仪

绘图。

5.3试验夹具

每种试样所用夹具在相应的附录中给出。

5.4引伸计

5，4，1引伸计用于测量施力点的位移，以便从P-d记录曲线下的面积求i，或从弹性柔度计算1a。为测

裂纹长度，也可用引伸计测裂纹嘴张开位移V,

5.4.2引伸计的工作量程一般不大于实际最大位移量的两倍。可以采用图I推荐的引伸i卜，也可采用

其他标距的引伸计。

5.4.3引伸计的精度应达到满量程的士1%。在标定引伸计时，单个数据点与拟合直线的最大偏差应小

于引伸计工作量程的士0.2纬，当采用弹性柔度法时，该偏差值应小于士IX.

5.4.4在弹性柔度试验法中，如果记录系统可以自动放大标尺比例，位移信号的灵敏度应能使记录笔

在卸载再加载过程中，在位移标尺上产生50mm的行程，笔的稳定性应达到10mi。内波动不大千

士3mm.

GB2038一91

图1工作范围大于等于8mm的引伸计

5.4.5在弹性柔度法试验中，引伸计数值信号的分辨率至少应达到满程输出信号(V)的1/32000.信

号稳定性在保持10min时波动不大于满程输出信号((V)的士4/3200。信号噪声小于满程输出信号(V)

的士2/32000

54.6除引伸计外，也可采用其他方法测施力点位移及裂纹长度，但其准确度和精度必须满足或超过

5·4.3的要求。

5.4.7标定引伸计时.应考虑试验温度和试验环境对标定准确度的影响

5.5载荷传感器

5.5.1可以采用任何型式的载荷传感器，但必须能自动连续记录载荷载荷测量准确度应达到满量程

的士I%。在对载荷传感器进行标定时，各数据点对拟合线的最大偏差应小于载荷传感器工作量程的

+0.2%，在弹性柔度法中该偏差值允许达到士I%.

5.5.2在弹性柔度法中，载荷数值信号的最小分辨率应达到载荷传感器满程输出信号(V)的I/4000

信号稳定性应达到保持10min波动在满程输出信号(V)的士4/4000以内。最大信号噪声应小于满程输

出信号(V)的士2/4000.

Ga2038一91

5.5.3如果在弹性柔度测量中，记录系统可以自动放大标尺比例，负荷信号的灵敏度应能使记录笔在

卸载再加载过程中，在载荷标尺上产生100mm的行程，笔的稳定性应达到10min波动小干士3mm

6试样形状和尺寸

6.1试样形状示于附录A,B,C三点弯曲试样的代号为SE(B),紧凑拉伸试样的代号为C(T),拱形三

点弯曲试样的代号为ASE(B),

6.2标准试样的W/B名义上等于2,a,/W=0.5-0.75。最好取0.6

6.3为获得有效的J,,值，本方法要求试样的初始韧带尺寸bo,厚度B应大于25.r,,lo。是材料在试

验温度下的有效屈服强度。

6.4除W邝=2的标准试样外，也可以采用W/B为其他值的试样，只要满足B>25,1,,/,,、的要求即可。

为确定试样尺寸，应当预先估计一个材料的cIl值。

注:当无法估计材料的J,c值时，建议中、低强度钢选用R=20mm,铝、钦合金选用B=15mm的试样

6.5对单试样法，为了满足试样裂纹前缘平直度的要求，可以采用带侧槽试样，即首光预制疲劳裂纹

然后加工侧槽。侧槽的加工深度与材料有关，只能通过试验来定。一般来说，允许的最大侧槽深度(试样

两侧侧槽的总深度)应小于原试样厚度的25。侧槽夹角要求不大于90,，侧槽根部半径应在0.2-0.6

mm之间。

了试样制备

7.、试样数量

采用多试祥法时，至少应有5个试样，采用单试样法时，最好准备3个试样

7.2试样取向标记

试样取向标记见图2、图3、图40

图2矩形断面板材中裂纹面取向和裂纹扩展方向的标记

CB2038一91

图2中，I,一长度或主变形方向;，一宽度方向或最小变形方向;一‘厚度方向或第二正交方向如了

L试徉表示裂纹面的法线方向为T,预期的裂纹扩展方向为Lo

图3棒材及圆饼中裂纹面取向和裂纹扩展方向的标记

图3中，L一长度方向或主变形方向;R-沿径方向;C一圆周或切线方向。如C-L试样，表示裂纹面

的法线方向为c，预期的裂纹扩展方向为1,,

图4试祥与两个参考轴成倾斜角度时，裂纹面取向和裂纹扩展方向的标记

图4中，如L-TS试样，表示裂纹面的法线为L方向，预期的裂纹扩展方向在T和S方向之间;TS-L

试样，表示裂纹面的法线在T和S之间的一个方向，预期的裂纹扩展方向为L,

7.3加工缺口

机加工缺口应在图5规定的包迹内，缺口根部半径小于或等于0.08mm。当裂纹前缘平直度难于控

制时，可采用GB4161中的山形缺口。

GB2038一91

-一_厂

包迹线

机加工映口

----一一.r合格的缺口

a.-0.1W

眺加工脸口

不合格的缺口

〔二二兀丁二二二

召。一0.1降

度劳翻故

图5引发裂纹缺口的包迹

注:①N无需小于1.6mm,但必须不大于W116e

②引发裂纹缺口在试祥前、后表面的长度应相等，误差不大于。.005W

7.4疲劳预制裂纹

7.4.1在预制裂纹和断裂试验之间不得对试样进行中间热处理。

7.4,2同一组试样预制疲劳裂纹的长度应尽量一致。

7.4.3疲劳预制裂纹必须保证试样不发生弯曲变形。

疲劳引发裂纹时采用的最大疲劳载荷P,，应不大

于用。。计算的极限载荷的50写。如果引发不出裂纹，可适当提高P-,，一旦出现裂纹后，及时将载荷调

整至P_,(O.5氏。

a.三点弯曲试样的极限载荷

4B&20..

P,=一互S·.……。..….‘···.··。··········。-，(1)

b紧凑拉伸试样的极限载荷

Bb弓『、

二二一..…。，·。..·……”二。··.·······……(2)

2W+a

GB2038一91

c.拱形飞汽弯曲试样的P,叮参照二点弯曲试样的公式计算。

7.4.4在疲劳裂纹扩展至最后0.7mm时，最大疲劳载荷应不大于O.4P,，且疲劳载荷幅对应的应力

强度因子幅度与弹性模量之比AK/F,应等于或小f0.005mm",取两者中之较小者

注:按GB4161中的公式计算各类试样的应力强度因子幅度。

7.4.5实际控制的最大疲劳载荷与预先选定的最大疲劳载荷的偏差应在土5%以内，最小疲劳载荷应

不大于。.1P,m,，使载荷幅PI.--1,m异0.9P-,

7.4.6疲劳预制裂纹的长度不小于。。的50c,A_不小于1.3mm

8试验程序

8门载荷、位移测量系统的标定

在连续做人试验之前要对载荷、位移测量系统进行标定。建议在试验温度下进行这一标定

8.2试样测量与安装

有关试样测量与安装的详细步骤见附录A,B,C.

8.3多试样法

8.3.1将试样形状、尺寸相同，初始裂纹长度相近的几个试样加载到预先选定好的不同位移水平，加载

速率应该使达到0.4P,的时间在0.1^10min之间

8.3.2为了更好的控制卸载点，应按下述步骤进行试验。

8.3.2.1第一个试样应加载到P-A曲线达到最大载荷并刚刚开始下降时卸载。根据记录的P一」曲线

估计以后各试样加载终止的位移量

8.3.2.2将试样卸载，并用热着色或二次疲劳法勾出裂纹前缘对于钢和钦合金可在3001c,或其他温

度「热着色10min、对其他材料可采用二次疲劳方法，最大疲劳载荷不得超过卸载点载荷的90Y,

8.3.2.3将试样压断，显示裂纹前缘，为避免压断试样时裂纹扩展区的形貌产生畸变，宜将铁素体翎试

样冷却到能产生脆断的温度，或将二次疲劳裂纹做得长些·，再压断试样断口上平坦的预裂纹前缘是

裂纹稳定扩展的起点，热着色的终点或二次疲劳的起始位置为裂纹扩展的终了位'PtK

8.32.4沿着裂纹前缘和标记出的裂纹慢稳扩展区的前缘，按图6所示，在等间隔的九点上测量裂纹

尺寸a(:=1,2,39)0测量仪器的精度应不低于0.025mm。按下述步骤计算裂纹长度

将靠近表面的两个测量结果取平均值

再求出它与其余测量结果的平均值.即按F式计算。。和。。

一

ap+app

np=+艺4p

7

1{“.+

8ap+71-;

83.2.5计算裂纹扩展量1a一。-."mm.

8.3.2.6确定下一个试样加载的位移值，以便获得合适的裂纹扩展量。重复上述步骤.直至得到四个或

更多个满足木方法9.3规定的合格数据点为止

GB2038一91

标记的裂饮扩展区前缘

疲劳裂纹前缘

一

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‘，川机加工缺口前缘{，一

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‘=(80.01W)/8R,=(H‘一0.01[v)/8

(a)无侧槽试样(b)带侧槽试样

图6裂纹长度的测量

8.4单试样法

8.4.1单试样法用一个试样，根据卸载再加载过程中弹性柔度的变化，或用其他方法得到JR曲线。建

议采用三个试样。

8.4.2加载试样，加载速率应使达到0.4P,的时间在0.1^10min范围内。卸载再加载的速率应该低，

以能准确估计裂纹长度为准。

8·4.3每个试样按下述步骤进行试验

8.4-3.1根据初始弹性柔度估计初始裂纹长度，此时，最大载荷应控制在0.1-0.4P,范围内

8.4-3.2为估计初始裂纹长度ao，柔度测量至少要重复三次。a。的单次测量值与平均值之差不得人于

士0.002W。

8-4.3卜3估计好初始裂纹长度后，将载荷降低，但仍要保持夹具对中

8.4.3.4重新将试样加载，并按图7所示，对试样进行1一10次卸载再加载试验

8.4.3.5卸载再加载的最大范围应不低于0.2P,，或不小于当时载荷的50%，取其中之较低者最后

一次卸载时，将载荷直接降至零。

8.4.3.6有些材料可能因载荷松弛效应而使卸载斜率呈现与时间相关的非线性为避免卜述影响可

以在开始卸载再加载试验之前，将试样在恒位移控制下保持一段时间。

GB203891

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