GB/T 42914-2023 铝合金产品断裂韧度试验方法

　　ICS 77 . 040 . 10 CCS H 22

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 42914—2023

　　铝合金产品断裂韧度试验方法

　　Test method for fracture toughness of aluminium alloy products

　　2023-08-06 发布 2024-03-01 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 42914—2023

　　目 次

　　前言 I

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 方法概述 1

　　5 试验条件 2

　　6 仪器设备 2

　　6 . 1 试验机 2

　　6 . 2 疲劳预裂纹设备 2

　　6 . 3 引伸计 2

　　6 . 4 试验夹具 3

　　6 . 5 防翘曲装置 5

　　7 平面应变断裂韧度试验方法 5

　　7 . 1 试样 5

　　7 . 2 测试步骤 15

　　7 . 3 试验数据处理 18

　　7 . 4 结果处理与结果表示 20

　　8 平面应力断裂韧度试验方法 22

　　8 . 1 采用中心裂纹试样的试验方法 22

　　8 . 2 采用紧凑拉伸试样的试验方法 31

　　8 . 3 结果处理与结果表示 34

　　9 试验报告 34

　　9 . 1 平面应变断裂韧度试验 34

　　9 . 2 平面应力断裂韧度试验 35

　　附录 A (规范性) 引伸计线性度检验方法 36

　　参考文献 38

　　GB/T 42914—2023

　　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 。

　　本文件由中国有色金属工业协会提出 。

　　本文件由全国有色金属标准化技术委员会(SAC/TC243)归口 。

　　本文件起草单位:西南铝业(集团)有限责任公司 、国标(北京)检验认证有限公司 、有色金属技术经济研究院有限责任公司 、中铝材料应用研究院有限公司 、东北轻合金有限责任公司 、天津忠旺铝业有限公司 、广西南南铝加工有限公司 、有研工程技术研究院有限公司 、上海航空材料结构检测股份有限公司 、山东南山铝业股份有限公司 、中国兵器装备集团第五九研究所有限公司 、中车青岛四方机车车辆股份有限公司 、中南大学 、上海交通大学 。

　　本文件主要起草人: 肖洪 、吴磊 、葛立新 、陈杰 、彭著军 、钱维锋 、胡天龙 、宋子勋 、韦修勋 、闫丽珍 、刘建中 、陈文 、宋文城 、王辉 、汪认 、邓运来 、徐济进 。

　　I

　　GB/T 42914—2023

　　铝合金产品断裂韧度试验方法

　　1 范围

　　本文件描述了铝合金产品断裂韧度的试验方法 。

　　本文件适用于铝合金轧制板材 、挤压棒材 、挤压板材 、挤压管材 、挤压型材和锻件产品的平面应变断裂韧度和平面应力断裂韧度的测定 。

　　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 8170 数值修约规则与极限数值的表示和判定

　　GB/T 10623 金属材料 力学性能试验术语

　　GB/T 12160—2019 金属材料 单轴试验用引伸计系统的标定

　　GB/T 16825 . 1—2022 金属材料 静力单轴试验机的检验与校准 第 1 部分:拉力和(或)压力试验机 测力系统的检验与校准

　　JJG 475 电子式万能试验机

　　JJG 556 轴向加力疲劳试验机

　　JJG 762 引伸计

　　JJG 1063 电液伺服万能试验机

　　3 术语和定义

　　GB/T 10623 界定的术语和定义适用于本文件 。

　　4 方法概述

　　通过循环加载对带机加工缺口的试样预制疲劳裂纹 , 对带尖锐裂纹的试样施加垂直于裂纹平面的拉力时 , 裂纹尖端会发生小范围的塑性变形 , 通常试样裂纹尖端塑性区包括内部的平面应变区与表面的平面应力区 。若试样厚度足够小 , 平面应变区可忽略不计 , 裂纹尖端近似处于平面应力状态 , 可测得平面应力断裂韧度 , 平面应变区占比随着试样厚度的增大而增大 , 当试样厚度增大至一定程度时 , 裂纹尖端近似处于平面应变状态 , 可测得平面应变断裂韧度 。断裂韧度试验分为两类:

　　— 平面应力断裂韧度试验:使用中心裂纹试样或宽度与厚度的比值大于 4 的紧凑拉伸试样测定铝合金材料的平面应力断裂韧度(kc ) 、表观平面应力断裂韧度(k app )或裂纹扩展抗力强度因子(kR ) ;

　　— 平面应变断裂韧度试验:使用宽度与厚度的比值在 2~4 之间的紧凑拉伸试样测定铝合金材料

　　1

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　　的平面应变断裂韧度(KIc ) , 或在无法测定 KIc 时 , 评定 KIc 的条件值(KQ )是否可作为“批产放行 KQ”。

　　5 试验条件

　　试验温度 : 10 ℃ ~35 ℃ 。

　　6 仪器设备

　　6 . 1 试验机

　　试验机应具有计算机数据采集系统 , 宜采用轴向加力疲劳试验机 、万能试验机或拉力试验机:

　　— 轴向加力疲劳试验机应按 JJG 556 进行校准 , 并满足 JJG 556 规定的疲劳试验机计量特性要求 ;

　　— 万能试验机或拉力试验机的测力系统应按 JJG 475 或 JJG 1063 进行校准 , 试验机测力系统的准确度应达到或优于 GB/T 16825 . 1—2022 的 1 级 。

　　6 . 2 疲劳预裂纹设备

　　疲劳预裂纹设备宜采用符合 6 . 1 规定的轴向加力疲劳试验机;采用其他设备时 , 设备的静态力示值相对误差应在 ±1 . 0%范围内 , 静态力示值重复性相对误差应不大于 1 . 0% 。

　　注 : 疲劳预裂纹设备用于疲劳裂纹预制 , 试验机用于测定断裂韧度 , 两者可为同一台设备 , 也可为不同设备 。

　　6 . 3 引伸计

　　6 . 3 . 1 引伸计系统按 JJG 762 进行校准 , 测定平面应变断裂韧度时 , 引伸计准确度应达到或优于GB/T 12160—2019 的 1 级;测定平面应力断裂韧度时 , 引伸计准确度应达到或优于 GB/T 12160— 2019 的 2 级 。

　　6 . 3 . 2 引伸计线性度应按附录 A规定的方法定期检验 , 宜每周检验一次 。

　　6 . 3 . 3 引伸计与刀口之间的接触点应能在一定范围内 自 由转动 , 引伸计安装示意图见图 1 。

　　2

　　GB/T 42914—2023

　　标引序号说明 :

　　1 — 试样 ;

　　2 — 引伸计 ;

　　3 — 引伸计悬臂凹槽 。

　　引伸计悬臂凹槽根部的半径应在 0 . 10 mm~0 . 15 mm 范围内 。

　　图 1 引伸计安装示意图

　　6 . 4 试验夹具

　　6 . 4 . 1 紧凑拉伸试样可采用 U 型钩夹具(见图 2) 。

　　3

　　GB/T 42914—2023

　　标引序号说明 :

　　W — 试样宽度 ;

　　D — 加力杆螺纹大径 ;

　　1 — 加力杆螺纹 ;

　　2 — 加力平面 。

　　夹具用销钉直径应为 0 . 024 W — 0(0). 005W , U 型钩和销钉的硬度应不小于 40 HRC。

　　注 : 表面粗糙度 Ra 的单位为微米(μm),其他尺寸的单位为毫米(mm) 。

　　a 为便于安装引伸计,可切去 U 型钩的边角 。

　　图 2 适用于紧凑拉伸试样的 U 型钩夹具

　　6 . 4 . 2 中心裂纹试样可采用多排螺栓夹具 、单插销夹具或楔形夹具加载,宽度大于 305 mm 的试样应使用多排螺栓夹具或楔形夹具 。夹具与试样接触面的表面粗糙度(Ra)应不大于 0 . 8 μm 。 图 3 给出了适用于中心裂纹试样的多排螺栓夹具示例 。

　　4

　　GB/T 42914—2023

　　单位为毫米

　　标引序号说明:

　　1 — 夹具 ;

　　2 — 试样 ;

　　CL— 试样宽度中心线 、夹持系统中心线 。

　　图 3 多排螺栓夹具图示

　　6 . 5 防翘曲装置

　　防翘曲装置应具备压力调整功能 , 可提供足够高的刚性约束 , 装置与试样接触面的表面粗糙度(Ra)应不大于 0 . 8 μm 。

　　7 平面应变断裂韧度试验方法

　　7 . 1 试样

　　7 . 1 . 1 试样形状及尺寸

　　7 . 1 . 1 . 1 平面应变断裂韧度试验采用紧凑拉伸试样(见图 4) , 试样尺寸应符合图 4规定[2<(W/B)≤4 的

　　5

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　　试样的厚度(B)除外] 。试样的宽厚比(W/B)宜为 2 , 应满足 2≤(W/B)≤4 , 裂 纹 长 度(a)应 满 足0. 45≤(a/W)≤0 . 55 。试样厚度与宽度应符合产品标准或订货单(或合同)的规定 , 当产品标准或订货单(或合同)中无规定时宜符合表 1 规定 。

　　注 : 厚度相同 、宽厚比不同的试样测得的 KIc 值或 KQ 值可能存在差异 , 通常宽厚比较大的试样测得的 KIc 值或 KQ值较大 。

　　标引序号说明:

　　1 — 起始缺口平面 ;

　　2 — 紧凑拉伸试样的加力线 ; W — 试样宽度 ;

　　a — 裂纹长度 ;

　　B — 试样厚度 。

　　图 4 紧凑拉伸试样(w/B=2)

　　表 1 试样厚度与宽度要求

　　产品类型

　　产品厚度

　　试样厚度与宽度a

　　轧制板材

　　6 . 35 mm~50 mm

　　裂纹扩展预期平面垂直于纵向 , 裂纹扩展预期方向为横向的试样 , 或裂纹扩展预期平面垂直于横向 , 裂纹扩展预期方向为纵向的试样 , 试样厚度宜等于板厚 ;其他试样厚度宜尽可能大 , 但应不大于 50 mm

　　>50 mm

　　裂纹扩展预期平面垂直于纵向 , 裂纹扩展预期方向为横向的试样 , 或裂纹扩展预期平面垂直于横向 , 裂纹扩展预期方向为纵向的试样 , 试样厚度宜为 50 mm ;其他试样厚度宜尽可能大 , 但应不大于 50 mm

　　6

　　GB/T 42914—2023

　　表 1 试样厚度与宽度要求 (续)

　　产品类型

　　产品厚度

　　试样厚度与宽度a

　　挤压产品

　　—

　　符合表 2 规定 , 试样宽度宜不小于 50 mm

　　锻件

　　—

　　宜选用表 2 中尺寸能满足表 7 要求的最小尺寸的试样B

　　a 当可热处理强化铝合金产品(或样坯)在热处理过程中没有消除应力时(状态代号 T— 51 、T— 510 、T— 511 、T— 52 、 T— 54 , 表示消除应力状态) , 应选取宽度(W)不大于 100 mm 且宽厚比(W/B)等于 2 的试样 。 当加工试样或试验过程中发现试验可能受到残余应力影响时 , 或改变试样尺寸测得的 KQ 值发生了用其他方法(例如厚度小于25 mm 的高韧度材料 , 试样厚度不变 , 增大试样宽度后测得的 KQ 值可能显著增大)不能解释的显著变化时 , 若采用试样宽度(W)不大于 60 mm 的试样可测得有效 KIc , 可切取厚度(B)尽可能小(B≤30 mm) , 且 W/B= 2的试样用于重新试验 。试样厚度应不小于 6 . 35 mm 。

　　B 组织不均匀的锻件 , 在预制疲劳裂纹时可能出现局部裂纹扩展量明显偏小 , 局部裂纹扩展方向偏离预期方向 , 或裂纹沿预期方向到扩展一定长度后偏离预期方向等情况而导致试验无效 , 减小试样尺寸可降低出现此类情况的概率 。

　　表 2 紧凑拉伸试样型号及其试样宽度和厚度

　　试样型号a

　　试样宽度(W) mm

　　试样厚度(B) mm

　　首选值

　　可选范围

　　CT25 . 4

　　25 . 40

　　12 . 70

　　6 . 35~12 . 70

　　CT30

　　30 . 00

　　15 . 00

　　7 . 50~15 . 00

　　CT40

　　40 . 00

　　20 . 00

　　10 . 00~20 . 00

　　CT50

　　50 . 00

　　25 . 00

　　12 . 50~25 . 00

　　CT60

　　60 . 00

　　30 . 00

　　15 . 00~30 . 00

　　CT70

　　70 . 00

　　35 . 00

　　17 . 50~35 . 00

　　CT80

　　80 . 00

　　40 . 00

　　20. 00~40 . 00

　　CT90

　　90 . 00

　　45 . 00

　　22 . 50~45 . 00

　　CT100

　　100 . 00

　　50 . 00

　　25 . 00~50 . 00

　　CT110

　　110 . 00

　　55 . 00

　　27 . 50~55 . 00

　　CT120

　　120 . 00

　　60 . 00

　　30. 00~60 . 00

　　CT127

　　127 . 00

　　63 . 50

　　31 . 75~63 . 50

　　a 紧凑拉伸试样型号以“CT后缀宽度值”命名 , 但当试样厚度小于其宽度的一半时 , 以 CT后缀宽度值后附脚注

　　“ B和试样厚度值”命名 , 对于产品厚度在 0. 25W ~0 . 50W 之间的产品加工的全厚度试样 , 以 CT后缀宽度值后附脚注“BF”命名 。例如宽度为 100 mm 的试样型号为 CT100;厚度为 25 mm 的厚板上切取的宽度为 100 mm的试样型 号 为 CT100B25 ; 厚 度 为 25 mm ~ 50 mm 的 厚 板 上 切 取 的 宽 度 为 100 mm 的 全 厚 度 试 样 型 号为 CT100BF 。

　　7 . 1 . 1 . 2 试样的疲劳裂纹起始缺口分为直通形缺口 (见图 5)和山形缺 口 (见图 6)两种 。起始缺口平面

　　。

　　应与相交的试样表面垂直(偏差在 ±2 以内) , 并与预期裂纹扩展方向平行 , 缺口尺寸应符合表 3 的规

　　7

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　　定,缺口根部半径应不大于 0 . 25 mm,宜不大于 0 . 10 mm 。

　　标引序号说明 :

　　θ — 缺口根部角度 ;

　　h — 缺口高度 ;

　　1 — 疲劳裂纹扩展量 。

　　图 5 直通形缺口

　　标引序号说明 :

　　LN — 山形缺口表面机加工缺口长度 ;

　　β — 山形缺口角度 ;

　　1 — 疲劳裂纹扩展量 。

　　两侧 LN 的差异应不大于 0 . 01W 。

　　图 6 山形缺口

　　表 3 紧凑拉伸试样缺口尺寸

　　缺口根部角度(θ)

　　。

　　( )

　　山形缺口角度(β)

　　。

　　( )

　　缺口高度(h)

　　<90

　　90~120

　　试样宽度不大于 16 . 00 mm 时缺口高度应为 1 . 6 mm,试样宽度大于 16 . 00 mm 时缺口高度应不小于 1 . 6 mm且小于 0 . 1W

　　8

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　　7 . 1 . 1 . 3 起始缺口应加工整体刀口或附加刀口 , 用于安装引伸计 , 见图 7 。

　　a) 整体刀口 b) 附加刀口

　　l 1

　　mm

　　l 2

　　mm

　　LG

　　mm

　　LGe

　　mm

　　θ 1

　　。

　　( )

　　θ 2

　　。

　　( )

　　1 . 3~1 . 5

　　1 . 5~2 . 0

　　5a

　　≤W/2

　　45~60

　　θ 1 ~90

　　标引序号说明 :

　　l 1 — 整体刀口深度 ;

　　θ 1 — 刀 口尖端角度 ;

　　θ 2 — 整体刀口底部角度 ;

　　l 2 — 附加刀口刀片厚度 ;

　　LG — 计量长度 ;

　　LGe — 有效计量长度 。

　　a 典型值 , 在满足 LG≤W/2 条件下可采用与引伸计测量范围相匹配的任意长度 。

　　图 7 整体刀口与附加刀口

　　7 . 1 . 2 取样

　　试样取样方向 、取样位置应符合产品标准或订货单(或合同)的规定 , 产品标准或订货单(或合同)中未规定取样方向时 , 按表 4 规定取 L-T方向试样;产品标准或订货单(或合同)中未规定取样位置时 , 按表 4 规定的取样位置切取试样 。 需方对取样方向有特殊要求(如图 8 所示的 L-S方向 、T-S方向 、S- T方向)时 , 由供需双方商定 , 并在订货单(或合同)中注明 。

　　表 4 平面应变断裂韧度试样取样方向和取样位置

　　产品类型

　　取样方向a

　　取样位置

　　轧制板材

　　见图 8

　　板厚不大于 100 mm 时 , 板材产品任意位置的 1/2 厚度处;板厚大于 100 mm 时 , L-T方向与 T-L方向试样从板材产品任意位置的 1/4 厚度处切取 ; S-L方向试样从板

　　材产品任意位置的 1/2 厚度处切取

　　锻 件

　　模锻件

　　闭式模锻件

　　—

　　L-T方向 、T-L 方 向 、S-L 方 向 试 样 分 别 从 锻 件 L 向 、 T 向 、S 向的最厚部位中心处切取B

　　开式模锻件

　　自由锻件

　　矩形锻件

　　见图 8

　　锻件 1/2 厚度处B

　　锻饼

　　圆锻饼

　　见图 9

　　锻饼 1/2 厚度与 1/2 半径处B, c

　　正多边形锻饼d

　　见图 10

　　锻饼 1/2 厚度与内切圆 1/2 半径处B

　　9

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　　表 4 平面应变断裂韧度试样取样方向和取样位置 (续)

　　产品类型

　　取样方向a

　　取样位置

　　锻 件

　　自由锻件