GB/T 38338-2019 炭素材料断裂韧性测定方法

　　ICS 29 . 050

　　Q 51

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 38338—2019

　　炭素材料断裂韧性测定方法

　　Testmethodforfracturetoughnessofcarbonmaterials

　　2019-12-10 发布 2020-07-01 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 38338—2019

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由中国钢铁工业协会提出。

　　本标准由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC 183)归口 。

　　本标准起草单位：中钢集团新型材料(浙江)有限公司、安徽弘昌新材料有限公司、中国平煤神马集团开封炭素有限公司、冶金工业信息标准研究院、常州鑫能材料检验检测有限公司、大同宇林德石墨新材料股份有限公司。

　　本标准主要起草人：杨辉、黄岱、郑景须、李毛、许汉春、夏德祥、毛玉珍、徐建平、吴杰、蔡昌海、吕有厂、杜爱芳、张惠兵、肖孝天、赤义德。

　　GB/T 38338—2019

　　炭素材料断裂韧性测定方法

　　1 范围

　　本标准规定了炭素材料断裂韧性术语和定义、仪器设备、试样要求、试验步骤、结果计算和试验报告。

　　本标准适用于室温下炭素材料断裂韧性的测定。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是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 1427 炭素材料取样方法

　　GB/T 8170 数值修约规则与极限数值的表示和判定

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　断裂韧性 fracturetoughness

　　K1C

　　预置裂纹在加载压力后的生长所必需的临界应力强度因子，用于表征材料阻止裂纹扩展的能力。

　　4 仪器设备

　　4. 1 游标卡尺：测量范围 0 mm~300 mm,精度 0.02 mm。

　　4.2 千分尺：测量范围 0 mm~25 mm,精度 0.01 mm。

　　4 . 3 影像测量仪：精度 0 . 001 mm,具有适宜放大功能的其他测量仪器也可。

　　4 . 4 干燥箱：具有自动调温装置，能保持温度在 105 ℃ ~110 ℃ 。

　　4 . 5 材料试验机：试验机传感器精度小于或等于 1%,推荐试样最大加载载荷在传感器量程的 10%~ 90% 。测试夹具要求见图 1,其中上、下支点辊可以 自 由滚动，辊直径为样品高度的 0 . 75 倍 ~1 . 5 倍 。

　　GB/T 38338—2019

　　图 1 测试夹具示意图

　　5 试样要求

　　5 . 1 取样和加工

　　按 GB/T 1427 的规定进行取样、加工。 单个材料测试平行试样不少于 6 个 。

　　5 . 2 试样尺寸

　　5.2. 1 推荐试样尺寸：试样(长)(200 mm ± 0. 1 mm) ×(宽)( 15 mm ± 0. 05 mm) ×(高)(20 mm ± 0 . 05 mm),试样及预制裂缝(槽)见图 2,槽深为 a。

　　图 2 试样示意图

　　5 . 2 . 2 试样具体要求见图 3,其中槽深度为样品高度的40%。 对不同类型炭素材料，采用相同的缩放比

　　例的样品同样适应。

　　GB/T 38338—2019单位为毫米

　　图 3 样品尺寸要求

　　5 . 3 试样槽加工

　　5 . 3 . 1 一般情况下，槽口尖端的弧度半径(R)小于 0 . 1 mm,特殊情况下，控制在 0 . 01 mm 以内。

　　注 ：由于槽加工的难易程度主要依赖于槽的宽度、底部尖端要求以及材料的平均骨料颗粒粒径尺寸，同时，典型牌

　　号石墨材料具有一定孔隙率及微裂纹(Morowsik) ,因此预期槽加工底部尖端为 自然裂纹是有可能的。

　　5 . 3 . 2 槽加工可采用刀片进行手工样品制备，刀片边缘的夹角应小于试样槽口角度，整个过程需要控制刀片钝化，使得穿过槽口方向加工的槽深度保持一致。

　　注：该手工方法有许多不确定性，也可能导致测试失败。

　　5 . 3 . 3 考虑到 5 . 3 . 1 和 5 . 3 . 2 的因素，推荐使用数控机械加工设备加工槽，先粗加工，然后细加工。 对于200 mm×20 mm× 15 mm 等尺寸较大的样品，为保证槽尖端的精度，建议先采用较宽刀具粗加工(样品较宽处槽口尺寸一般不超过 1 mm), 然后对槽尖端细加工，见图 4 。 细加工槽宽度按图 3 控制在0 . 45 mm±0 . 05 mm。

　　5 . 4 试样外观

　　加工后的试样外观，应无可见的裂纹、掉边、缺角、凸起、凹坑、孔洞等缺陷。 在材料允许条件下，加工后试样的粗糙度 Ra小于或等于 0 . 8 μm。

　　图 4 样品槽示意图

　　GB/T 38338—2019

　　6 试验步骤

　　6 . 1 试样应在 105 ℃ ~110 ℃干燥箱内烘干 2 h,然后贮存在干燥器内，冷却至室温备用。

　　6 . 2 长度(L)、高度(H)、宽度(W)检测：沿试样长度测 2 次，高度、宽度方向各测 3 次，取平均值。

　　6 . 3 槽口检测：用影像测量仪分别测得深度、宽度、尖端角度及弧度半径。

　　6 . 4 夹具及装载符合 4 . 5 的要求。

　　6 . 5 将测试样品槽口向下，并对准支撑跨度的中心位置及上压头辊，可借助在样品和夹具上划线等方式实现。

　　6 . 6 试验机加载速率为 0 . 05 mm/min~0 . 1 mm/min,试样的载荷-位移曲线应显示其稳定抗裂纹扩展过程，见图 5 。

　　图 5 稳定的裂纹扩张行为曲线示意图

　　7 结果计算

　　试样断裂韧性(K1C)按式(1)计算：

　　K1C = g …………………( 1 )

　　式中：

　　g=A0+A1(a/H)+A2(a/H)2 + A3(a/H)3 +A4(a/H)4 + A5(a/H)5 ,系数见表 1(A0 , A1 ,

　　A2 , A3 , A4 和 A5 为该多项式系数);

　　K1C —断裂韧性，单位为二分之一次方兆帕米[(MPa · m) 1/2 ] ;

　　Pmax — 试样测试时加载的最大压力，单位为牛顿( N ) ;

　　a —试样槽口深度，单位为米(m) ;

　　S —支点跨距，单位为米(m) ;

　　W —试样宽度，单位为米(m) ;

　　H —试样高度，单位为米(m) 。

　　测量结果转化单位后代入公式计算，结果保留小数点后两位，数值修约按 GB/T 8170 的规定进行。

　　GB/T 38338—2019

　　表 1 多项式系数

　　8 试验报告

　　试验报告应包括下列内容：

　　a) 委托单位;

　　b ) 试样编号、名称及规格;

　　c) 试验条件;

　　d) 试验结果;

　　e) 试验单位;

　　f) 试验人员;

　　g) 试验日期;

　　h) 试验方法。