GB/T 46614-2025 金属材料 仪器化压入试验 断裂韧度的测定

　　ICS 77. 040. 10 CCS H 22

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 46614—2025

　　金属材料 仪器化压入试验

　　断裂韧度的测定

　　Metallicmaterials—Instrumented indentation test—

　　Determination offracturetoughness

　　2025-10-31发布 2026-05-01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 46614—2025

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　引言 Ⅳ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 符号和说明 2

　　5 原理 3

　　6 试验机 3

　　7 试样 4

　　8 试验程序 4

　　9 试验结果的不确定度 7

　　10 试验报告 7

　　附录 A (资料性) 试验结果的不确定度评定 8

　　参考文献 10

　　Ⅰ

　　GB/T 46614—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 。

　　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 。

　　本文件由中国钢铁工业协会提出 。

　　本文件由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC183)归 口 。

　　本文件起草单位 : 山东大学 、山东省特种设备检验研究院集团有限公司 、东南大学 、中国石油集团工程材料研究院有限公司 、国家能源集团新能源技术研究院有限公司 、中国石油大学(华东) 、冶金工业信息标准研究院 、江苏省特种设备安全监督检验研究院 、苏州热工研究院有限公司 、宁波工程学院 、宝山钢铁股份有限公司 、安科工程技术研究院(北京)有限公司 、惠州检微科技有限公司 、成都海光核电技术服务有限公司 、山东省安泰化工压力容器检验中心有限公司 、洛阳船舶材料研究所(中国船舶集团有限公司第七二五研究所) 。

　　本文件主 要 起 草 人 : 王 威 强 、张 泰 瑞 、宋 明 大 、王 钧 雷 、葛 志 强 、高 雄 雄 、杜 晋 峰 、蒋 文 春 、侯 慧 宁 、余丰 、方健 、陈明亚 、蒋作文 、杨滨 、杜卓同 、张号 、王修云 、苟渊 、赵万祥 、李建勋 、程吉锐 、郑蔚薇 、陈宏远 、李海昭 、商显栋 、董莉 、马歆 、孙 振 西 、夏 咸 喜 、杨 志 文 、麻 志 成 、沈 冬 奎 、陈 沛 、余 征 跃 、王 明 行 、陈 庆 伟 、郭碧城 、孔强 、陈 天 斌 、李 纪 涛 、王 业 熙 、李 东 、瓮 松 峰 、包 陈 、王 焕 庆 、佟 永 帅 、李 奕 德 、许 学 龙 、薛 朝 、远帅波 。

　　Ⅲ

　　GB/T 46614—2025

　　引 言

　　仪器化压入试验方法适用于受材料体积限制不便加工成标准试样的场合 ,尤其是金属构件的现场检测 。与采用紧凑拉伸试样和三点弯曲试样的常规断裂韧度试验相比 ,仪器化压入试验获取的断裂韧度更多地反映被测韧性金属材料的局部力学性能 ,特别适用于评价材料性能的局部差异 ,是常规断裂韧度试验方法的补充与参考 。该方法适合韧性断裂的材料 , 即 GB/T 21143 中采用 J 与 δ 指标描述断裂行为的材料[1] 。针对线弹性断裂或解理型断裂的材料 ,宜采用 GB/T 21143或其他方法 。

　　Ⅳ

　　GB/T 46614—2025

　　金属材料 仪器化压入试验

　　断裂韧度的测定

　　1 范围

　　本文件规定了金属材料断裂韧度仪器化压入试验方法的原理 、试验机 、试样 、试验程序 、试验结果的不确定度和试验报告 。

　　本文件适用于 GB/T 21838. 1规定的宏观范围仪器化压入试验测定韧性金属材料断裂韧度 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中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 21838. 1 金属材料 硬度和材料参数的仪器化压入试验 第 1部分 :试验方法

　　GB/T 21838. 2 金属材料 硬度和材料参数的仪器化压入试验 第 2部分 :试验机的检验和校准

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　仪器化压入试验 instrumented indentation test

　　通过连续记录压头压入试样时的试验力-压入深度曲线来获得金属材料的力学性能的试验方法 。 3.2

　　球形压头 sphericalindenter

　　端部为球形 ,且端部与柄部制成一体的压头 。

　　3.3

　　试验力-压入深度曲线 force-indentation depth curve

　　施加于压头上的力和压头垂直压入材料试验面深度之间的曲线 。

　　注 : 如图 1所示 。

　　图 1 仪器化压入试验方法获得的试验力-压入深度曲线

　　1

　　GB/T 46614—2025

　　4 符号和说明

　　本文件使用的符号和相应的说明见表 1。

　　表 1 符号和说明

　　符号

　　说明

　　单位

　　Aeq

　　等效裂纹面积

　　mm2

　　α

　　临界剪切应力与临界拉伸应力比值

　　—

　　D

　　损伤变量

　　—

　　E0

　　试样无压入损伤时的压入模量

　　MPa

　　Eeff

　　有效压入模量 ,考虑试样塑性变形的压入模量修正

　　MPa

　　Eind

　　压头杨氏模量

　　MPa

　　F

　　试验力

　　N

　　Fmax

　　最大试验力

　　N

　　h

　　施加试验力下的压入深度

　　mm

　　hmax

　　最大试验力下的最大压入深度

　　mm

　　hp

　　卸除试验力后的残余压入深度

　　mm

　　hRE

　　卸除试验力后的压痕回弹深度

　　mm

　　hs

　　球头高度

　　mm

　　JSIT

　　球压头压入能量释放率

　　N · mm- 1

　　J ⅡC

　　Ⅱ 型裂纹开始扩展时的 J 积分值

　　N · mm- 1

　　KJ ⅠC

　　由 Ⅰ 型裂纹开始扩展时的 J 积分值换算的临界应力强度因子

　　MPa · m1/2

　　KJ ⅡC

　　由 Ⅱ 型裂纹开始扩展时的 J 积分值换算的临界应力强度因子

　　MPa · m1/2

　　R

　　球形压头半径

　　mm

　　R0

　　卸除试验力后的残余压痕凹坑曲率半径

　　mm

　　r

　　压入微观损伤等效裂纹面积Aeq-压 入 损 伤 耗 散 能 UD 之 间 线 性 拟 合 的 皮 尔逊相关系数

　　—

　　S

　　卸载斜率

　　N · mm- 1

　　S0

　　理论卸载斜率

　　N · mm- 1

　　ν

　　试样材料泊松比

　　—

　　νind

　　压头泊松比

　　—

　　U0

　　Aeq-UD 线性拟合常数项

　　N · mm

　　UD

　　压入损伤耗散能

　　N · mm

　　2

　　GB/T 46614—2025

　　5 原理

　　采用球形压头以准静态多次加载-卸载方式压入光洁的材料试验面 , 获得连续的试验力-压入深度曲线(F-h曲线) ,通过能量释放率法[3] ,计算得到压入微观损伤等效裂纹面积-压入损伤耗散能关系 、能量释放率 JSIT ,最终转换为金属材料 Ⅰ 型裂纹开始扩展时的临界应力强度因子 KJ ⅠC 。

　　6 试验机

　　6. 1 试验机应包括驱动装置 、球形压头 、机架 、力测量装置 、位移测量装置等 。 宜采用表面参比原理的试验机 ,见图 2。经相关方协商 ,采用其他原理的试验机也适用本文件 。

　　3

　　标引序号说明 :

　　1— 驱动装置 ;

　　2— 力测量装置 ;

　　3— 机架 ;

　　4— 位移测量装置 ;

　　

　　5— 球形压头 ;

　　6— 试样 ;

　　7— 试验台或试样固定支撑装置 。

　　图 2 典型仪器化压入试验机原理示意图

　　6.2 压入试验力应符合 GB/T 21838. 1规定的宏观范围 ,宜采用 2 N~ 3 kN。

　　6.3 应使用如图 3所示球形压头 ,球形端部与压头柄部制为一体能减小试验误差 ,球形压头的直径应为 0. 5 mm~ 2. 5 mm ,推荐采用 0. 5 mm、0. 75 mm、1. 0 mm 和 1. 5 mm 四种规格 。

　　标引序号说明 :

　　1— 球形压头柄部 ;

　　2— 球形压头端部 。

　　图 3 球形压头

　　6.4 球形端部与柄部宜采用锥形过渡 ,如图 4所示 ,球头高度 hs不宜小于最大压入深度 hmax 的 1. 5倍 。

　　GB/T 46614—2025

　　图 4 球形压头端部几何特征示意图

　　6.5 球形压头的球面部分圆度允许偏差应小于 0. 3 μm[4] 。

　　6.6 球形压头表面粗糙度 Ra 宜小于第 1个压入循环最大压入深度的 1/20。

　　注 : 球形压头表面粗糙度会导致压头与材料试验面接触零点难以确定 。

　　6.7 球形压头的材料应使用碳化钨 、氮化硅或金刚石 。

　　6. 8 当试样为加工制备的用于试验的材料时 ,试验机应具有固定试样的试验台和固定支撑装置 ,且应具备对试样进行固定 、位置调整的能力 ,安装好的试样不应产生变形 、翘曲 ,试样与夹具之间不产生影响压入深度测量的相对位移 , 同时试验面的垂直度应满足 7. 3 的要求 ; 当试样为金属构件时 ,试验机应配备固定支撑装置以使其能被固定于金属构件上 ,且应具备对试验机进行固定 、位置调整的能力 ,安装好的试验机不应改变系统刚度 ,不产生影响对金属构件试验面压入深度测量的相对位移 , 同时试验面的倾斜度应满足 8. 1. 3 的要求 。

　　6.9 力测量装置中的力传感器应至少分辨到 0. 1 N , 准确度应为 0. 5 级 。位移测量装置中的位移传感器应至少分辨到 0. 1 μm ,1 mm 测量范围内的准确度应为 0. 5 级 。

　　6. 10 试验机应能在试验循环中测量和记录试验力 、压入深度 、时间及其之间的关系曲线 。

　　6. 11 试验机应在 8. 1. 1 中所表述的试验温度范围内使用 , 因温度变化引起的压入深度偏移不应大于0. 5 μm ,其最大允许偏差为 ±1%h。

　　6. 12 试验机应按 GB/T 21838. 2 的规定进行校准 。

　　7 试样

　　7. 1 试样为按照一定形状 、尺寸和试验面要求加工制备的用于试验的材料 , 或者按照试验面要求处理制备的金属构件 。

　　7.2 试样的试验面不应有氧化物 、涂层 、润滑剂等异物 。试验面粗糙度 Ra 应小于第 1个压入循环最大压入深度的 1/20。推荐采用 P120、P240、P400、P800金相砂纸对试验面进行逐级打磨 。

　　7.3 宜尽量避免热或冷加工对试验面的影响 。

　　7.4 为减小试样固定支撑装置对试验结果的影响 ,试样应足够厚或压入深度足够小 。按照 GB/T 21838. 1的规定 ,试样厚度应为最大压入深度的 10倍以上或压痕直径的 3倍以上 。

　　8 试验程序

　　8. 1 一般要求

　　8. 1. 1 试验环境温度应符合 GB/T 21838. 1 的相关要求 。

　　4

　　GB/T 46614—2025

　　8. 1.2 试样和试验机之间应采用刚性连接 ,确保试验机刚度无明显降低 。

　　8. 1.3 压入方向应与试验面垂直 ,倾斜度应小于 1°。

　　8. 1.4 试验时 ,压痕中心距离试样边缘应至少为压痕直径的 3 倍 ,相邻压痕中心之间的距离应至少为压痕直径的 5倍 。

　　8. 1.5 如试验力-压入深度曲线加载段出现 “上凸 ”的情形 ,则本次试验无效 ,应通过减小最大压入深度或提高压入试验机系统刚度加以解决 。

　　8. 1.6 每次试验应保证至少包括 3个压入点的有效试验 ,且每一压入点试验均应包含不少于 8 个等压入深度间距的加卸载循环 ,宜采用 8个 ~ 15个等压入深度间距的加卸载循环 。

　　8. 1.7 试验过程中宜避免外界因素对试验结果的不利影响 ,如振动 、冲击等 。

　　8.2 试验步骤

　　8.2. 1 循环加卸载试验可选用压入深度控制或试验力控制的方法 。

　　8.2.2 在压头接近试样试验面时 ,缓慢移动压头 ,避免碰撞造成试验面力学性能变化 。 压头下压位移速率不宜超过 2 μm/s。

　　8.2.3 记录整个试验过程中的试验力 F 和压入深度 h, 最大压入深度 hmax宜不小于 0. 08倍的压头半径 R。

　　8.3 数据处理

　　8.3. 1 零点的确定

　　应按照 GB/T 21838. 1 的规定确定零点 。

　　8.3.2 卸载斜率 S 和卸除试验力后残余压入深度hp 的测定

　　采用公式(1)拟合第 i个压入循环(60% ~ 95%)Fmax(i) 范围内的卸载数据 ,每一个卸载循环用于拟合的数据点不应少于 50个 ,计算卸载斜率 S(i) 和卸除试验力后的残余压入深度 hp(i) 。

　　F = S(i) (h- hp(i) ) …………………………( 1 )

　　根据公式(2)计算第 i个压入循环卸除试验力后的压痕回弹深度hRE(i) 。

　　hR(iE) =hm(ia)x - hp(i) …………………………( 2 )

　　8.3.3 残余压痕凹坑曲率半径 R0 的测定

　　用球面描述卸除试验力后的残余压痕凹坑 ,根据公式(3)计算第 i个压入循环卸除试验力后的残余压痕凹坑曲率半径 R0 (i) 。

　　R

　　8.3.4 有效压入模量 Eeff的测定

　　根据公式(4)计算第 i个压入循环的有效压入模量 Eeff(i) [6] 。该计算考虑了韧性金属材料宏观压入中的塑性变形 ,为考虑试样塑性变形的压入模量修正 。

　　E

　　当第一个压入循环的最大压入深度 hmax(1) ≤0. 04R 时 ,损伤对有效压入模量的影响可忽略 ,该循环的有效压入模量 Eeff(1) 可视为试样无压入损伤时的压入模量 E0,且理想状态下 E0在数值上接近试样材

　　5

　　GB/T 46614—2025

　　料的杨氏模量 。

　　8.3.5 损伤变量 D 的测定

　　根据公式(5)计算第 i个压入循环的损伤变量 D(i) 。

　　D …………………………( 5 )

　　8.3.6 压入微观损伤等效裂纹面积 Aeq 的测定

　　根据公式(6)计算第 i个压入循环的压入微观损伤等效裂纹面积 Aeq(i) 。

　　Ae(q(i)) = π [hm(ia)xR -(hm(ia)x) 2 ] D(i) …………………………( 6 )

　　8.3.7 压入损伤耗散能UD 的测定

　　根据公式(7)计算对应于 E0 的理论卸载斜率 S0 (i) 。

　　S …………………………( 7 )

　　根据公式(8)计算第 i个压入循环的压入损伤耗散能 UD (i) 。

　　U …………………………( 8 )

　　8.3. 8 断裂韧度 KJ ⅠC 的测定

　　以压入微观损伤等效裂纹面积 Aeq(i) 为横坐标 ,压入损伤耗散能 UD (i) 为纵坐标 ,得到如图 5所示的压入微观损伤 等 效 裂 纹 面 积-压 入 损 伤 耗 散 能 散 点 图 , 使 用 公 式 (9) 拟 合 第 一 个 数 据 点 以 外 的 全 部Aeq(i) -UD (i) 数据点,该线性拟合斜率为形成单位面积压入微观损伤等效裂纹的耗散能 , 即为压入试验的能量释放率 JSIT 。

　　UD = JSITAeq +U0 …………………………( 9 )

　　当 Aeq(i) -UD (i) 数据点的相关系数 r 大于 0. 95时 ,则试验结果有效 。

　　压入试验的损伤成因与 Ⅱ型断裂试样裂纹尖端同属剪切型损伤 ,应与 Ⅱ 型断裂试验中的能量释放率 JⅡC建立直接关联 。

　　J Ⅱ C = JSIT …………………………( 10 )

　　根据公式(11)计算 KJ ⅡC [5] 。

　　KJ ⅡC …………………………( 11 )

　　KJ ⅡC 与 KJ ⅠC 的比例关系由裂纹开始扩展时的临界剪切应力与临界拉伸应力比值 α 决定 ,对于绝

　　大多数钢铁材料 、铝合金材料和钛合金材料 ,该数值介于 0. 29~0. 38之间[7-12] ,推荐 α 取 0. 35。

　　…………………………( 12 )

　　注 : KJ ⅠC 为 Ⅰ 型裂纹开始扩展时的临界应力强度因子 ,对应于 Ⅰ 型断裂韧度试验由拟合阻力曲线与 0. 2 mm 钝化偏置线交点处 J 积分值 JQ0. 2BL计算的应力强度因子 。

　　6

　　GB/T 46614—2025

　　图 5 压入试验获得的压入微观损伤等效裂纹面积-压入损伤耗散能曲线

　　9 试验结果的不确定度

　　附录 A 给出了试验结果的不确定度评定指南 。

　　10 试验报告

　　试验报告应至少包括以下内容 :

　　a) 本文件编号 ;

　　b) 与试样有关的详细资料 ;

　　c) 所用压头的材料 、端部几何特征 、表面粗糙度 Ra;

　　d) 试验条件(试验步骤的完整描述) ,包括 :

　　1) 控制方法(压入深度控制或试验力控制) ;

　　2) 试验力或位移的施加速率和施加时间 ;

　　3) 试验力或位移保持恒定的开始位置和持续时间 ;

　　4) 试验循环中每阶段数据的采集频率或采集的数据量 ;

　　e) 试验结果 KJ ⅠC ,循环次数和试验次数 ;

　　f) 确定零点的拟合方法和函数 ;

　　g) 本文件规定以外或本文件可选择的各项操作 ;

　　h) 各种可能影响试验结果的细节 ;

　　i) 试验温度 ;

　　j) 试验日期和时间 ;

　　k) 试验过程中的异常情况 ;

　　l) 如有要求 ,给出所有信息 ,包括从试验力-压入深度曲线上测定的数值和有关不确定度评估的详细信息 。

　　7

　　GB/T 46614—2025

　　附 录 A

　　(资料性)

　　试验结果的不确定度评定

　　A. 1 概述

　　完整的不确定度评定按照 JJF 1059. 1进行 。不确定度可分为以下两类 。

　　a) A类不确定度 , 即压入试验结果不确定度的评定 ,主要包括 :

　　— 零点的设置 ;

　　— 试验力和压入深度的测量 ;

　　— 试验条件的选择 。

　　b) B类不确定度 , 即压入试验机的不确定度评定 ,主要包括 :

　　— 压入试验机的力和位移 ;

　　— 压入试验机的柔度 ;

　　— 球形压头的球部直径(半径) ;

　　— 球形压头的球部表面粗糙度 Ra;

　　— 试样试验面的倾斜度 。

　　A.2 压入试验结果不确定度的估算方法

　　A.2. 1 压入试验结果的不确定度

　　压入试验结果的不确定度评估方法可参照 GB/T 21838. 1—2019 中 H. 2. 3 给出的方法 2执行 。

　　A.2.2 压入试验结果的扩展不确定度

　　对于一台特定的仪器化压入试验机 ,在缺少断裂韧度标准试样的情况下 ,仅能评估来自试验结果随机误差而产生的扩展不确定度 。扩展不确定度 U 的计算见公式(A. 1) ,试验结果的计算见公式(A. 2) 。以 SA508为例的断裂韧度 KJ ⅠC 不确定度评定见表 A. 1。

　　U = k ·uX …………………………( A. 1 )

　　式中 :

　　U — 扩展不确定度 ,单位为兆帕米的二分之一次方(MPa · m1/2) ;

　　k — 包含因子 ;

　　uX — 试样压入试验结果平均值的标准不确定度 ,单位为兆帕米的二分之一次方(MPa · m1/2) 。

　　X =x ±U …………………………( A. 2 )

　　式中 :

　　X — 试验结果 ,单位为兆帕米的二分之一次方(MPa · m1/2) ;

　　x — 试样压入试验结果的平均值 ,单位为兆帕米的二分之一次方(MPa · m1/2) 。

　　8

　　GB/T 46614—2025

　　表 A. 1 压入试验结果的扩展不确定度示例

　　步骤

　　不确定度来源

　　符号

　　公式

　　注释

　　SA508KJ ⅠC 压入试验为例

　　MPa · m

　　1

　　试样压入试验结果的平均值和标准差

　　x

　　sX

　　n= 5

　　对试样进行

　　5 次检测

　　单值 :190. 30;195. 81;194. 65;

　　198. 10;201. 40;

　　x= 196. 05;

　　sX = 4. 12

　　2

　　试样压入试验结果平均值的标准不确定度

　　ux

　　对于 n= 5,

　　t= 1. 14

　　3

　　扩展不确定度

　　U

　　U=k ·uX

　　k= 2

　　U= 2× 2. 10= 4. 20

　　4

　　试验结果

　　X

　　X=x±U

　　—

　　X= 196. 05±4. 20

　　A.3 压入试验机不确定度的估算方法

　　压入试验机的不确定度评估方法可参照 GB/T 21838. 1—2019 中 H. 2. 3 给出的方法 2执行 。

　　9

　　GB/T 46614—2025

　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 1182—2018 产 品 几 何 技 术 规 范(GPS) 几 何 公 差 形 状 、方 向 、位 置 和 跳 动 公 差标注

　　[2] GB/T 21143—2014 金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法

　　[3] JJF 1059. 1 测量不确定度评定与表示

　　[4] ZHANG T, WANG S, WANG W. A unified energy release rate based model to determine the fracture toughness of ductile metals from unnotched specimens[J] . International Journal of Me- chanicalSciences,2019,150:35-50.

　　[5] HUBER O,NICKEL J,KUHN G. On the decomposition oftheJ-integralfor3D crack prob- lems[J] . InternationalJournalofFracture,1993,64(4) :339-348.

　　[6] ZHANG T,WANG S,WANG W. Improved methods to determine the elastic modulus and area reduction rate in sphericalindentation tests[J] . Materials Testing,2018,60(4) :355-362.

　　[7] CHAO Y J, LIU S. On the failure of cracks under mixed-mode loads[J] . International JournalofFracture,1997,87(3) :201-223.

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