GB/T 29459.3-2025 在役承压设备金属材料小冲杆试验方法 第3部分：断裂韧度试验方法

　　ICS 77. 040. 10 CCS H 22

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 29459.3—2025

　　在役承压设备金属材料小冲杆试验方法

　　第 3 部分:断裂韧度试验方法

　　Smallpunch testmethodsofmetallicmaterialsforin-servicepressureequipment—

　　Part3:Method oftestfor fracturetoughness

　　2025-10-31发布 2025-10-31实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 29459.3—2025

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　引言 Ⅳ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语 、定义和符号 1

　　4 试验分类 2

　　5 常规小冲杆试验 3

　　6 开槽小冲杆试验 4

　　7 试验报告 7

　　附录 A (规范性) 常规小冲杆试验起裂点处最小厚度测量方法及示例 9

　　附录 B (资料性) 常规小冲杆试验断裂韧度 JIC确定 12

　　附录 C (资料性) 开槽小冲杆试验裂纹扩展阻力曲线和断裂韧度 14

　　附录 D (资料性) 试验报告样式 18

　　参考文献 21

　　Ⅰ

　　GB/T 29459.3—2025

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　本文件是 GB/T 29459《在役承压设备金属材料小冲杆试验方法》的第 3 部分 。 GB/T 29459 已经发布了以下部分 :

　　— 第 1部分 :总则 ;

　　— 第 2部分 :室温下拉伸性能试验方法 ;

　　— 第 3部分 :断裂韧度试验方法 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由全国锅炉压力容器标准化技术委员会(SAC/TC262)提出并归 口 。

　　本文件起草单位 :华东理工大学 、中国特种设备检测研究院 、中国石化工程建设有限公司 、湖北特种设备检验检测研究院 、中国石油大学(华东) 、福建理工大学 、中国石化上海高桥石油化工有限公司 、上海蓝凯设备科技有限公司 、兰州兰石重型装备股份有限公司 、中石化(天津) 石油化工有限公司 、武汉市润之达石化设备有限公司 、上海市特种设备监督检验技术研究院有限公司 、甘肃省特种设备检验检测研究院 、中国石油化工股份有限公司济南分公司 、甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司 、机械工业兰州石油化工设备检测所有限公司 、上海蓝滨石化设备有限责任公司 。

　　本文件主要起草人 :关凯 书 、王 琼 琦 、徐 彤 、宋 明 、李 沧 、邓 阳 春 、孙 海 生 、贾 国 栋 、钟 继 如 、王 金 光 、龚凌诸 、刘祚平 、苏厚德 、沈红 杰 、杨 宇 清 、司 俊 、张 凯 、陈 勇 、束 润 涛 、张 元 友 、郭 璟 倩 、张 美 华 、许 笑 梅 、冯焕林 、孙宝财 、贾晓亮 、张雪涛 、郑维信 。

　　Ⅲ

　　GB/T 29459.3—2025

　　引 言

　　如何检测在役承压设备材料退化状况一直是在役检验中的热点问题 。传统无损检测难以评价材料力学性能 。表面金相只能了解材料组织的变化 ,不足以定量评价材料力学性能 。 常规力学性能试验方法需要试样体积大 ,取样会造成设备明显损伤 。GB/T 29459《在役承压设备金属材料小冲杆试验方法》是微损取样力学性能测试的标准 。GB/T 29459 旨在规范小冲杆试验方法和实现小冲杆试验获取材料标准力学性能 ,拟由六个部分构成 。

　　— 第 1部分 :总则 。 目的在 于 规 范 小 冲 杆 试 验 的 通 用 要 求 , 包 括 试 样 、试 验 装 置 、卡 具 、试 验 步骤等 。

　　— 第 2部分 :室温下拉伸性能试验方法 。 目的在于通过小冲杆试验获得材料的标准拉伸性能 。

　　— 第 3部分 :断裂韧度试验方法 。 目的在于通过小冲杆试验获得材料的标准断裂韧性 。

　　— 第 4部分 :蠕变性能试验方法 。 目的在于通过小冲杆试验获得材料的标准蠕变性能 。

　　— 第 5部分 :韧脆转变温度试验方法 。 目的在于通过小冲杆试验获得材料的标准韧脆转变温度 。

　　— 第 6部分 :疲劳性能试验方法 。 目的在于实现小冲杆试验结果转换为材料标准疲劳性能 。

　　本文件根据小冲杆拉伸试验后试样的等效断裂应变或者利用开槽小冲杆试样 ,采用多试样法 ,获得材料裂纹扩展阻力曲线 ,给出断裂韧度的经验关联方法 。

　　Ⅳ

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　　在役承压设备金属材料小冲杆试验方法

　　第 3 部分:断裂韧度试验方法

　　1 范围

　　本文件描述了在役承压设备获取断裂韧度的小冲杆试验方法 。

　　本文件适用于承压设备铁素体用钢 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文件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 29459. 1 在役承压设备金属材料小冲杆试验方法 第 1部分 :总则

　　GB/T 29459. 2 在役承压设备金属材料小冲杆试验方法 第 2部分 :室温下拉伸性能试验方法

　　3 术语、定义和符号

　　3. 1 术语和定义

　　GB/T 29459. 1 界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1. 1

　　常规小冲杆试验 smallpunch test

　　在室温下采用拉伸性能试验方法获取断裂韧度的小冲杆试验 。

　　3. 1.2

　　开槽小冲杆试验 notched smallpunch test

　　采用几个标称尺寸相同的开槽试样进行单调加载 ,用于获得阻力曲线及断裂韧度的小冲杆试验 。 3. 1.3

　　试验后试样最小厚度 finalthicknessofthe testpieceadjacentto the fracturearea

　　hf

　　常规小冲杆试验后的最小厚度 。

　　3. 1.4

　　等效断裂应变 equivalentfracturestrain

　　εeqf

　　常规小冲杆试样原始厚度与试验后试样最小厚度比值的自然对数 。

　　3. 1.5

　　裂纹扩展阻力曲线 crack extension resistancecurves

　　在开槽小冲杆试验中 ,经验关联得到的 J 积分随裂纹稳定扩展量的变化曲线 。

　　3. 1.6

　　透槽 penetrated centergroove

　　在常规小冲杆试样上开槽 ,是开槽小冲杆试验两种型式槽中的一种 。特征是开槽于常规小冲杆试

　　1

　　GB/T 29459.3—2025

　　样中心 ,穿透试样厚度 ,具有一定宽度和长度 。可等同于断裂韧性试样的中心裂纹板 。

　　3. 1.7

　　U 型槽 U-shaped groove

　　在小冲杆常规试样上开两种型式槽的一种 ,与透槽宽度一致 , 中心线重合 ,具有一定深度 ,长度为小冲杆试样直径 ,起到限制裂纹扩展路径和增加拘束的作用 。

　　3. 1. 8

　　试样净厚度 netthicknessofthe testpiece

　　B

　　开 U 型槽后试样的剩余厚度 。

　　注 : 试样厚度与 U 型槽深度差 ,单位为毫米(mm) 。

　　3.2 符号

　　GB/T 29459. 1 界定的以及下列符号适用于本文件 。

　　b — 透槽试样韧带尺寸 ,单位为毫米(mm) ;

　　h — 试样的标准厚度 ,单位为毫米(mm) ;

　　L — 透槽的长度 ,单位为毫米(mm) ;

　　J —J 积分 ,拟合阻力曲线中的变量 ,单位为千焦每平方米(kJ/m2 ) ;

　　ai — 裂纹长度 ,单位为毫米(mm) ;

　　d1 — 试样直径 ,单位为毫米(mm) ;

　　h0 — 试样的初始厚度 ,这里指实际测量的厚度 ,单位为毫米(mm) ;

　　hf — 试验后试样最小厚度 ,单位为毫米(mm) ;

　　JIC — 断裂韧度 ,单位为千焦每平方米(kJ/m2 ) ;

　　Ji — 裂纹扩展量 Δai 对应的J积分 ,单位为千焦每平方米(kJ/m2 ) ;

　　Rm — 抗拉强度 ,单位为兆帕(MPa) ;

　　ru —U 型槽的半径 ,单位为毫米(mm) ;

　　tu —U 型槽的深度 ,单位为毫米(mm) ;

　　Ui — 裂纹长度 ai 的试样载荷位移曲线线下围成的积分 ,单位为牛顿毫米(N · mm) ;

　　w1 — 透槽的宽度 ,单位为毫米(mm) ;

　　w2 —U 型槽的宽度 ,单位为毫米(mm) ;

　　Δa — 裂纹扩展量 ,拟合阻力曲线中的变量 ,单位为毫米(mm) ;

　　Δai — 裂纹扩展量 ,Δai=ai-a0,单位为毫米(mm) ;

　　ΔUi— 裂纹扩展量 Δai 对应的能量差 ,ΔUi=Ui-U0,单位为牛顿毫米(N · mm) ;

　　εeqf — 等效断裂应变 εeqf=ln(h0/hf) 。

　　4 试验分类

　　本文件给出两种方法对金属材料的断裂韧性进行测试和关联 ,一种方法采用常规小冲杆试验后的等效断裂应变与 JIC进行经验关联 ,另一种方法采用开槽小冲杆多试样法测定裂纹扩展量关联获得裂纹扩展阻力曲线进而确定 JIC 。

　　2

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　　5 常规小冲杆试验

　　5. 1 原理

　　根据试验后等效断裂应变与标准断裂韧度 JIC经验关联获得断裂韧度 JIC 。

　　5.2 试验

　　常规小冲杆试验前 ,按照 GB/T 29459. 1对试样厚度进行测量 ,取 5 个测点的平均值作为初始厚度h0 。厚度测量精度为 0. 001 mm。取 3个平行试样进行试验 。

　　常规小冲杆试验条件和试验按照 GB/T 29459. 1 和 GB/T 29459. 2进行 。

　　常规小冲杆试验后 ,按照附录 A测量断后试样的最小厚度 。

　　5.3 等效断裂应变的确定

　　5.3. 1 等效断裂应变的计算

　　等效断裂应变按照公式(1)进行计算 。

　　εeqf = ln(h0/hf) …………………………( 1 )

　　式中 :

　　h0— 试件初始厚度 ,单位为毫米(mm) ;

　　hf — 试验后试样最小厚度 ,单位为毫米(mm) 。

　　常规小冲杆试验后 ,3个试样获得的等效断裂应变的平均值作为该材料(样品)的等效断裂应变 。

　　5.3.2 试验后试样最小厚度 hf 测量

　　试验后起裂点处最小厚度的测量位置和方法见图 1所示 ,按照附录 A进行测试 。

　　标引符号说明 :

　　h0 — 试件初始厚度 ,单位为毫米(mm) ;

　　hf — 试验后试样最小厚度 ,单位为毫米(mm) 。

　　图 1 试验后起裂点处最小厚度测量位置示意图

　　5.4 断裂韧度 JIC 的确定

　　断裂韧度的经验关联式见公式(2) 。

　　JIC = αεeqf +β …………………………( 2 )

　　3

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　　式中 :

　　α、β— 关联系数 ,取值见附录 B。

　　6 开槽小冲杆试验

　　6. 1 原理

　　与传统断裂韧度测试标准中多试样法类似 ,采用几个标称尺寸相同的试样进行单调加载 ,每个试样对应着不同的位移量 ,根据载荷-位移曲线计算能量并测量扩展长度 。 以最小裂纹扩展长度的试样为基准 ,计算裂纹扩展量对应的能量差 。根据能量差与 J 积分的经验关联 ,获得 J 积分阻力曲线 。

　　6.2 试样

　　开槽小冲杆试验使用的开槽试样见图 2。试样的尺寸和公差见表 1, 开槽试样实物形貌如图 3 所示 。开槽小冲杆断裂韧性测试不应小于 6个试样 。

　　图 2 开槽小冲杆试样示意图及尺寸

　　表 1 试样的尺寸和公差

　　单位为毫米

　　类别

　　名称

　　尺寸

　　公差

　　透槽

　　槽长度 L

　　1

　　±0. 010

　　槽宽度 w1

　　0. 3

　　通槽端部半径 R

　　0. 15

　　U 型槽

　　槽宽度 w2

　　0. 3

　　槽深度 tu

　　0. 25

　　槽半径 R

　　0. 15

　　4

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　　6.3 开槽方向

　　在役设备取样除满足 GB/T 29459. 1 的相关要求外 ,应标注取样试件表面及槽在设备上的方向 。

　　开槽小冲杆试样加工除满足 GB/T 29459. 1 的相关要求外 ,需合理设计透槽和 U 型槽的加工方向 。

　　6.4 试验

　　透槽小冲杆试验按照 GB/T 29459. 2 进行 ,超过最大载荷后才能终止试验 。 根据不同的终止载荷获得所对应 的 载 荷-位 移 曲 线 。 终 止 载 荷 应 位 于 加 载 的 下 降 阶 段 , 且 大 致 均 匀 分 布 在 最 大 载 荷 的70% ~ 95% 。

　　a) 压头接触面 b) 压头接触面背面

　　图 3 开槽试样实物形貌

　　6.5 开槽小冲杆试样裂纹长度测量与裂纹扩展量计算

　　6.5. 1 裂纹长度测量

　　开槽小冲杆试样单调加载下裂纹的起裂和扩展路径示意图如图 4所示 。宜采用体视显微镜等有效手段对透槽小冲杆试验后的裂纹长度(透槽长度加两侧的裂纹扩展)进行测量 ,见图 5。

　　裂纹扩展质量从大到小依次排序 ,对应的裂纹长度 ai (i为 0~n) 。其中 ,a0 为所有试样中最小裂纹长度 ,应大于 1. 25 mm。

　　a) 压头、开槽与 U型槽的位置关系

　　图 4 开槽小冲杆的起裂和扩展路径

　　5

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　　b) 裂纹起裂与扩展路径示意图

　　图 4 开槽小冲杆的起裂和扩展路径 (续)

　　图 5 裂纹扩展长度示意图

　　6.5.2 裂纹扩展量计算

　　将扩展量最小的裂纹长度 a0 作为基准 ,其他试样的裂纹长度与 a0 之差即为裂纹扩展量 Δai,按公式(3)计算 。

　　Δai =ai - a0 …………………………( 3 )

　　6.6 开槽小冲杆试样裂纹扩展能量和能量差的计算

　　6.6. 1 开槽小冲杆试样裂纹扩展能量计算

　　按照 GB/T 29459. 1 中的刚度修正方法 ,对试验获取的载荷位移曲线进行修正 。 经过刚度修正后的载荷-位移曲线与卸载点围成的面积即为裂纹长度 ai 的开槽小冲杆试样对应的能量 Ui,见图 6。

　　6

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　　标引符号说明 :

　　F — 载荷 ,单位为牛顿(N) ;

　　ai — 裂纹长度 ,单位为毫米(mm) ;

　　Ui — 裂纹长度 ai 的试样载荷位移曲线线下围成的积分 ,单位为牛顿毫米(N · mm) ;

　　v — 压头位移 ,单位为毫米(mm) 。

　　图 6 经过刚度修正的载荷位移曲线示例图

　　6.6.2 ΔUi 能量差计算

　　与 6. 5 中的 ai 和 Δai 相对应 ,U0 是裂纹长度为 a0 的试样对应的能量 ,Ui 是裂纹长度为 ai 的试样对应的能量 。则裂纹扩展量 Δai 对应的能量差 ΔUi 按公式(4)计算 。

　　ΔUi =Ui -U0 …………………………( 4 )

　　6.7 裂纹阻力曲线获取方法

　　对一系列标称尺寸相同的开槽小冲杆试验加载到预先选定的不同位移水平 ,并测定相应的裂纹长度 ,计算对应的能量 。根据基准的 a0 和 U0 计算裂纹扩展量 Δai 对应的 ΔUi , Δai 对应的 Ji 通过经验的关联关系获得 。 除最小长度 a0 的试样外 ,其他试样都是 J-Δa阻力曲线上一个点 。

　　构成一条阻力曲线至少需要 5个或者更多个合适位置的点 。对第一个试样加载到刚刚超过最大载荷 ,测量相应的裂纹扩展长度 ,确保裂纹扩展进入稳定阶段 ,并根据此时位移量估算其他合适数据点的位移量 。

　　获得材料断裂韧度值的方法见附录 C。

　　7 试验报告

　　试验报告应至少包括下列内容 :

　　a) 本文件编号及试验方法 ;

　　b) 试样信息 ,包括材料牌号 、标识 、原始尺寸 、材料状态(热处理及焊接) 、取样方向和位置 、表面处理方式等 ;

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　　c) 试验设备型号和编号 ;

　　d) 试验温度 、加载速度 ;

　　e) 试验持续的时间 、载荷-位移曲线 、试验后试样最小厚度 ;

　　f) 试验中发现的任何异常或其他有必要记录的信息 ;

　　g) 断裂韧度和/或裂纹扩展阻力曲线 。

　　附录 D给出了试验报告示例 。

　　8

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　　附 录 A

　　(规范性)

　　常规小冲杆试验起裂点处最小厚度测量方法及示例

　　A. 1 最小厚度的测量方法

　　小冲杆试验后保持试样的外形轮廓不发生变形 ,而且在后续的切割和测量过程中始终保持试样轮廓不发生变形 。最小厚度的测量可采用剖面切割测量方法 ,也可采用非破坏方法 ,如 X 射线断层扫描测量仪(CT) 。

　　A.2 剖面切割方法

　　根据图 1,对试样进行剖开 ,然后测量最小厚度 ,在最小厚度位置测试 3 个点,然后取平均值作为试样的最小厚度 ,具体步骤如下 。

　　a) 确定起裂点位置

　　首先根据宏观观察和微观观察 ,确定试样开口最宽的位置作为试样的起裂点,然后按照图 1 的方法进行切割 ,切割线如图 A. 1所示 。

　　图 A. 1 试样剖开位置示例图

　　b) 沿起裂点位置切割

　　采用对金属损失最小的方法对试样切割 ,如电火花加工方法 。

　　c) 最小厚度的测量

　　对试样剖面需要引入内切圆 ,理论上内切圆的直径是压头的直径 2. 5 mm ,但是由于试样的弹性变形 ,实际的内切圆直径小于 2. 5 mm。实际测量时 ,根据实际的形状和尺寸确定内切圆的直径 。

　　图 A. 2 和图 A. 3是两个小冲杆试样试验后的剖面和测量示例 。

　　a) 首先在带有标尺的体视显微镜上根据试样的实际尺寸引入内切圆 。

　　b) 找到最小厚度点 1,然后向内切圆的圆心画线 ,根据内切圆的半径 ,计算出第一个点的厚度 。

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　　c) 以内切圆圆心依次每隔 1. 5°测量相邻 2个点的厚度 2 点和 3 点,分别记为 L1 ,L2 和 L3 ,则 hf (1,2,3)=L(1,2,3) -R,那么最小厚度 hf

　　图 A.2 斜断口最小厚度测量示例

　　图 A.3 锯齿形断口最小厚度测量示例

　　A.3 非破坏性方法

　　X射线断层扫描测量(CT)可作为一种非破坏性方法来获得 hf 。 它可以实现在不同角度下对样品进行 X射线成像 ,重建三维结构 。

　　与物理切割相比 ,X射线 CT优势在于可从各个角度测试试样的厚度 ,进而可以更准确测量最小厚度 hf 的位置 。

　　图 A. 4显示了通过 X射线 CT扫描获得的样品示例 。

　　从起裂点附近截取多个剖面 , 比较每个剖面试样的厚度 ,然后选取最小厚度的剖面进行测量 ,试样最小厚度的测量和计算按照 A. 2进行 。

　　10

　　GB/T 29459.3—2025

　　a) 整体视图

　　b) 截取的二维剖面视图

　　图 A.4 X 射线 CT扫描样品示例

　　11

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　　附 录 B

　　(资料性)

　　常规小冲杆试验断裂韧度 JIC确定

　　B. 1 经验关联方法涉及的试验材料

　　本文件中经验关联方法涉及的铁素体钢试验材料共有 20种材料(状态) ,见表 B. 1。

　　表 B. 1 试验材料

　　材料编号

　　材料牌号

　　材料来源和规格

　　材料状态

　　1

　　2. 25Cr1Mo

　　加氢反应器的出口管

　　服役温度 414 ℃ ,服役压力 18. 04 MPa,

　　服役约 16万小时

　　2

　　2. 25Cr1Mo

　　加氢反应器试块

　　服役温度 482 ℃ ,服役压力 10 MPa,

　　服役约 10万小时

　　3

　　2. 25Cr1Mo

　　锻件

　　正火 +高温回火

　　4

　　14Mo-V6-3

　　管材

　　940 ℃/1h/空冷 +720℃/2h/空冷

　　940 ℃/1h/水冷 +720℃/2h/空冷

　　940 ℃/1h/炉冷 +720℃/2h/空冷

　　940 ℃/1h/油冷 +720℃/2h/空冷

　　940 ℃/1h/空冷 +720℃/2h/空冷

　　940 ℃/1h/水冷 +700℃/2h/空冷

　　5

　　6

　　7

　　8

　　9

　　10

　　14Mo-V6-3

　　高压蒸汽出口管道

　　服役温度 540 ℃ ,服役时间 15万小时

　　11

　　1. 25Cr0. 5Mo

　　超高压蒸汽管线

　　服役温度 520 ℃ ,服役压力 12 MPa,

　　服役时间 12年

　　12

　　23CrMoNiWV88

　　锻件

　　淬火 +高温回火

　　13

　　09MnNiDR

　　40 mm 厚锻件

　　正火 +高温回火

　　14

　　09MnNiDR

　　70 mm 厚锻件

　　正火 +高温回火

　　15

　　15CrMo

　　板材

　　热轧

　　16

　　Q245R

　　板材

　　热轧

　　17

　　Q345R

　　70 mm 厚板材

　　热轧

　　18

　　Q345R

　　100 mm 厚板材

　　热轧

　　19

　　P91

　　管材

　　服役温度 566 ℃ ,服役压力 24. 2 MPa,服役 5 年

　　20

　　3Cr1MoV

　　加氢反应器试块

　　服役温度 454 ℃ ,服役压力 17. 8 MPa,服役 10年

　　B.2 标准断裂韧度测试

　　依据 GB/T 21143—2014对表 B. 1 中的材料进行断裂韧度测试 。

　　12

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　　B.3 常规小冲杆试验获得的断裂韧度 JIC

　　依据附录 A 的方法对常规小冲杆试验后的最小厚度进行测试 ,并进行等效断裂应变的计算 。建立了 50%和 95%两个置信水平的经验关联公式 ,其中 95%置信度拟合线完全包络了所有数据点的下边界 ,具有更好的保守性和可靠性 。 因此 , 在进行 在 役 设 备 安 全 评 估 时 , 推 荐 采 用 95%置 信 度 的 关 联 公式 。经验关联图及关联系数见图 B. 1 和表 B. 2。

　　注 : 图 B. 1 中的标号对应表 B. 1 中材料编号 。

　　图 B. 1 等效断裂应变与断裂韧性关联式

　　表 B.2 不同置信度下关联系数值

　　置信度

　　α

　　β

　　50%

　　501. 6

　　-178. 9

　　95%

　　491. 4

　　-283. 8

　　注 : 关联系数 α 和 β是基于表 B. 1

　　中材料试验数据获得 。

　　13

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　　附 录 C

　　(资料性)

　　开槽小冲杆试验裂纹扩展阻力曲线和断裂韧度

　　C. 1 原理

　　开透槽和 U 型槽的开槽小冲杆试样满足传统断裂韧性测试标准的几何相似性 。a0 (裂纹扩展量最小的裂纹长度 ,包含裂纹扩展长度和透槽长度 L)作为初始裂纹长度等效标准断裂韧性测试中的初始裂纹长度(机加工长度 +预制疲劳裂纹长度) 。开 U 型槽后实际受力状态趋向于单向拉伸 ,具有较高的物理相似性 ,厚度很薄容易进入裂纹稳定扩展阶段 。 因此开透槽小冲杆试样的裂纹扩展能量与标准断裂韧性的 J 积分存在确定的关联关系 。本文件采用与标准断裂测试中多试样获取 J 阻力曲线的类似方法 ,将 6~ 7个开透槽小冲杆试样加载到超过最大载荷后不同位置卸载 ,获取不同裂纹扩展量对应的能量 ,与标准断裂韧性获得的 J 积分进行经验关联 ,获得材料的 J-Δa阻力曲线及断裂韧度 。

　　C.2 开槽小冲杆试验阻力曲线法

　　C.2. 1 开槽小冲杆试样的尺寸测量

　　试验前对开槽小冲杆试样进行尺寸测量 ,包括试样厚度 、U 型槽深度和透槽开槽长度等 。 小冲杆试样厚度薄 ,开槽尺寸小 ,U 型缺口的深度浅 ,需要采用合适的测量仪器确保测量的精度 ,减小试样尺寸引起的误差 。

　　C.2.2 开槽小冲杆试验

　　开槽小冲杆试验按照 GB/T 29459. 1 和 GB/T 29459. 2进行 。

　　对第一个试样加载 到 刚 刚 超 过 最 大 载 荷 , 测 量 其 裂 纹 扩 展 长 度 , 确 保 裂 纹 扩 展 进 入 稳 定 扩 展 阶段 , 以此对后续的卸载位置进行合理规划 。

　　获得多个不同位移量的载荷-位移曲线 。

　　C.2.3 刚度修正

　　采用 GB/T 29459. 1 的刚度修正方法 ,对上述试验获得的载荷-位移曲线进行刚度修正 。修正后的载荷位移曲线见图 C. 1,用于能量的计算 。

　　图 C. 1 试验载荷-位移曲线的修正

　　14

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　　C.2.4 裂纹长度的测量

　　按照 6. 5. 1对每一个试样试验后的裂纹长度 ai 进行测量 。测量的裂纹长度包含透槽的长度和加载过程中透槽两侧的扩展长度 , 图 C. 2 给出了两种断裂机制试样的扫描电镜测量裂纹尖端的示例 。

　　在剪切断口上 ,可以很容易确认裂尖位置 ,见图 C. 2 a) ;在正断断口上 ,裂纹尖端前缘可能存在不连续的微孔 , 以表面显示的裂尖和最前缘微孔的之间的中心点作为测量裂尖位置 ,见图 C. 2 b) 。 以上要求放大 100倍确定裂纹尖端位置 。

　　a) 剪切裂纹尖端 b) 微孔聚集裂纹尖端

　　图 C.2 裂纹尖端位置的确定

　　C.2.5 能量的计算

　　按照 6. 6. 1对每一个开槽小冲杆试样试验后的能量 Ui 进行计算 。

　　C.2.6 裂纹扩展量的计算

　　裂纹扩展量 Δai 按照公式(3)计算 。

　　C.2.7 裂纹扩展量对应的能量差计算

　　裂纹扩展量对应的能量差 ΔUi 按照公式(4)计算 。

　　C.2. 8 J 积分与能量差的关联

　　J 积分与能量差的关联按照公式(C. 1)进行 。

　　Ji =ηΔUi/(Bb) …………………………( C. 1 )

　　式中 :

　　η — 系数 ,取 0. 91(基于铁素体钢的经验关联系数) ;

　　ΔUi — 裂纹扩展量对应的能量差 ;

　　B — 净厚度(试样初始厚度 h0 减去 U 型槽深度 tu) ;

　　b — 韧带长度(下夹具孔径 d2 减去开槽长度 L) ,示意图如图 C. 3所示 。

　　15

　　GB/T 29459.3—2025

　　图 C.3 开槽小冲杆试样

　　C.2.9 J-Δa 阻力曲线的绘制

　　所有的数据点(Δai, Ji ) 都 参 与 拟 合 , 拟 合 的 曲 线 至 少 要 通 过 5 个 数 据 点 。 拟 合 数 据 点 获 得 如图 C. 4所示的阻力曲线 。 阻力曲线宜参照 GB/T 21143—2014中对阻力曲线稳态扩展区数据点的构成要求呈大致均布 。

　　钝化线采用公式(C. 2)确定 :

　　J = 3. 75Rm Δa …………………………( C. 2 )

　　式中 :

　　Rm — 抗拉强度 ,按照 GB/T 29459. 2 获得 。

　　对阻力曲线的拟合采用公式(C. 3)确定 :

　　J =μ+ νΔaγ …………………………( C. 3 )

　　其中 μ、ν、γ 为拟合系数 ,且 μ≥0和 ν>0,0<γ≤1,拟合系数估算方法参考 GB/T 21143—2014中附录 C。

　　图 C.4 开槽小冲杆试样获得阻力曲线

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　　GB/T 29459.3—2025

　　C.3 断裂韧度 JIC 的确定

　　在图 C. 4上作钝化线偏置 0. 2 mm 的平行线 。

　　拟合曲线与 0. 2 mm 偏置线的交点定义为 JIC 。该交点可通过计算或参考 GB/T 21143—2014 中的近似方法确定 。

　　C.4 其他补充

　　在传统断裂韧性测试中 ,裂纹起裂到稳定扩展之间需要一个数据点,而本文件中得到的数据点已经处于稳定扩展区 , 因此本文件中拟合的数据点最少 5个 ,而不是常规断裂韧性测试标准规定的 6个 。

　　经验关联用的阻力曲线计算得到的 JIC经过有效性验证 , 因此本文件中断裂韧度 JIC 的确定是直接通过 0. 2 mm 偏置线的交点获得 ,不需要其他附加的有效性验证条件 。

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　　附 录 D (资料性)

　　试验报告样式

　　试验报告的样式见表 D. 1~表 D. 5。

　　表 D. 1 试样、材料和试验环境

　　试样标识 : 试验员 : 日期 :

　　试样

　　类型(常规或透槽)

　　裂纹面取向

　　取样位置

　　材料

　　材料名称

　　材料状态

　　基本尺寸

　　h0 = (mm)

　　B= (mm)

　　L= (mm)

　　ru= (mm)

　　du= (mm)

　　拉伸性能

　　温度= ( ℃)

　　参考值(R) 测量值(M)

　　E = (MPa) (MPa)

　　n = (MPa)

　　Rp0.2 = (MPa)

　　Rm = (MPa) (MPa)

　　基本试验信息

　　控制类型

　　位移速率 (mm/min)

　　试验温度 ( ℃)

　　表 D.2 常规小冲杆试样试验后最小厚度记录表

　　最小厚度测量信息 试样标识

　　最小厚度测量表

　　位置

　　最小厚度(mm)

　　备注

　　1

　　2

　　3

　　平均最小厚度

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　　表 D.3 透槽小冲杆数据记录表

　　数据点a

　　ai (mm)

　　Ui (N · mm)

　　ai+1 (mm) b

　　Ui+1 (N · mm) c

　　0

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5

　　a 数据点是裂纹长度从小到大排列 。

　　b ai+1 =ai+1 -ai (i为 0~n,试样数 n+1) 。

　　c Ui+1 =ui+1 -Ui (i为 0~n,试样数 n+1) 。

　　表 D.4 阻力曲线数据记录表

　　数据点a

　　ai (mm) a

　　ui (N · mm) a

　　B

　　v

　　Ji (kJ/m2 ) b

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5

　　6

　　a 见 D. 3。

　　b OM= 光学法 ;DIC= 数字图像法 。

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　　表 D.5 阻力曲线或断裂韧度的确定

　　类型 (常规或透槽)

　　常规小冲杆

　　h0 (mm)

　　hf (mm)

　　断裂韧度 JIC (kJ/m2 ) a

　　透槽小冲杆

　　B (mm)

　　L (mm)

　　ru (mm)

　　du (mm)

　　b (mm)

　　幂乘拟合方程 J=μ+νΔaγ 的系数 : μ=

　　ν=

　　γ=

　　断裂韧度 JIC = (kJ/m2 ) b

　　JIC=μ+νΔaγ ,其中 μ、ν、γ为拟合系数 ,且 μ≥0和 ν>0,0<γ≤1,拟合系数估算方法参考 GB/T 21143—2014中附录 C。

　　b(a) JIC=502. 2×εeqf-179. 6,其中 εeqf为小冲杆试样的等效断裂应变 。

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　　GB/T 29459.3—2025

　　参 考 文 献

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　　[3] 王 明 . 基 于 小 冲 杆 试 验 获 取 金 属 材 料 断 裂 韧 度 的 研 究 与 应 用 [D] . 上 海 : 华 东 理 工 大学 , 2023.

　　[4] 关凯书 , 李璞 , 黄奕昶 , 等 . 小冲杆试验评价材料的断裂韧度[J] . 压力容器 , 2007, (12) : 8- 11+21.

　　[5] ChakrabartyJ. A theoryofstretchformingoverhemisphericalpunchheads[J] . InternationalJour- nalofMechanicalSciences, 1970, 12(4) : 315-325.

　　[6] Mao X, TakahashiH. Development of a further-miniaturized specimen of 3 mm diameter fortem disk (3 mm) smallpunch tests[J] . JournalofNuclear Materials, 1987, 150(1) : 42-52.

　　[7] Guan K , HuaL, Wang Q, et al. Assessmentof toughness in long term service CrMo low alloy steelbyfracturetoughnessand smallpunch test[J] . NuclearEngineering and Design, 2011, 241 (5) : 1407-1413.

　　[8] Wolfenden A, Mao X, ShojiT, et al. Characterization of fracture behavior in smallpunch testby combined recrystallization-etch method and rigid plastic analysis[J] . Journal of Testing and Evaluation, 1987, 15(1) : 30-37.

　　[9] Cardenas E, BelzunceF J, RodriguezC, etal. Application ofthe smallpunch testto deter- mine the fracture toughness of metallic materials[J] . Fatigue& Fracture ofEngineering Materials & Structures, 2012, 35(5) : 441-450.

　　[10] ByunT S, Lee E H , HunnJ D, et al. Characterization of plastic deformation in a disk bend test[J] . JournalofNuclear Materials, 2001, 294(3) : 256-266.

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