GBT 42903-2023 金属材料 蠕变裂纹及蠕变-疲劳裂纹扩展速率测定方法

金属材料蠕变裂纹及蠕变-疲劳裂纹扩展速率测定方法2023-08-06发布2023-12-01实施国家标准化管理委员会前言 I引言 Ⅱ 2规范性引用文件 3术语和定义 4符号及说明 5试验原理 6一般要求 7试验设备 8试样 9试验程序 10试验结果处理 11试验报告 附录A(规范性)断裂力学参量计算方法 附录B(规范性)蠕变-疲劳裂纹扩展速率描述模型 附录C(规范性)焊接接头试样的断裂力学参量计算方法 附录D(资料性)蠕变-疲劳小裂纹扩展速率测试方法 附录E(资料性)位移测量装置 25附录F(资料性)直流电位法测定裂纹长度 附录G(资料性)蠕变位移速率的计算方法 附录H(资料性)推荐的数据处理方法 参考文献 I本文件按照GB/T1.1—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：华东理工大学、中机试验装备股份有限公司、钢研纳克检测技术股份有限公司、天津大学、中国石油大学(华东)、冶金工业信息标准研究院、深圳万测试验设备有限公司、厦门市特种设备检验检测院、力试(上海)科学仪器有限公司、中国联合重型燃气轮机技术有限公司、中国航发商用航空发动机有限责任公司、中广核研究院有限公司、中国核动力研究设计院、宝山钢铁股份有限公司。本文件主要起草人：张显程、谈建平、涂善东、轩福贞、高怡斐、董莉、马伟、陈刚、蒋文春、黄星、伏喜斌。Ⅱ电力、炼化、冶金以及航空等领域的设备呈现出服役温度提高、服役时间延长的发展趋势，使得蠕变及蠕变-疲劳失效与预防控制问题更加凸显。由于制造工艺的限制，许多构件在使用之前就已经存在裂纹或其他缺陷；同时，在服役期间构件的应力集中部位也很可能会有裂纹萌生。正是这些裂纹及其在蠕变及蠕变-疲劳条件下的扩展造成了高温构件的失效，甚至引起灾难性的事故。为准确地评价带裂纹构件的安全性和可靠性，需要测试材料的蠕变裂纹和蠕变-疲劳裂纹扩展性能。在恒定温度及静态或准静态载荷下，测定金属材料及焊接接头的蠕变裂纹起裂时间以及蠕变裂纹扩展速率，试样类型为紧凑拉伸试样、C型拉伸试样、单边缺口拉伸试样、单边缺口弯曲试样、双边缺口拉伸试样或中心缺口拉伸试样。通过数据处理获得裂纹扩展速率和断裂参量K或C(C或C,)的关系。对于蠕变脆性材料，采用K或C,表征裂纹扩展速率；对于蠕变延性材料，采用断裂参量C*(Co或C,)表征裂纹扩展速率。在恒定温度及单轴循环载荷下，测定金属材料的蠕变-疲劳裂纹扩展速率，测试试样为紧凑拉伸试样。通过数据处理获得裂纹扩展速率和断裂参量△K或(C,)…的关系。对于蠕变脆性材料，采用应力强度因子范围△K表征蠕变-疲劳裂纹扩展速率da/dN;对于蠕变延性材料，采用断裂参量平均值(C₁)a表征循环保载时的平均裂纹扩展速率(da/dt)ag。1金属材料蠕变裂纹及蠕变-疲劳裂纹扩展速率测定方法1范围本文件规定了金属材料蠕变裂纹及蠕变-疲劳裂纹扩展速率试验相关的符号和说明、试验原理、试样设计、试验程序、试验结果处理及试验报告。本文件适用于在恒定温度时静态或准静态载荷下，测定金属均质材料及金属焊接接头的蠕变裂纹起裂时间以及蠕变裂纹扩展速率；在恒定温度时单轴循环载荷下，测定金属均质材料的蠕变-疲劳裂纹扩展速率。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/T8170数值修约规则与极限数值的表示和判定GB/T12160金属材料单轴试验用引伸计系统的标定GB/T16825.1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GB/T16825.2静力单轴试验机的检验第2部分：拉力蠕变试验机施加力的检验GB/T25917.1单轴疲劳试验系统第1部分：动态力校准GB/T34104金属材料试验机加载同轴度的检验JJF1637廉金属热电偶校准规范JJG141工作用贵金属热电偶JJG276高温蠕变、持久强度试验机JJG556轴向加力疲劳试验机JJG617数字温度指示调节仪3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。蠕变裂纹扩展速率creepcrackgrowthrate恒定温度和载荷下单位时间内的裂纹长度变化量。蠕变-疲劳裂纹扩展速率creep-fatiguecrackgrowthrateda/dN恒定温度和带保载的循环载荷下单个循环内的裂纹长度变化量。2GB/T42903—2023平均裂纹扩展速率averagecrackgrowthrate蠕变-疲劳循环加载中不计疲劳裂纹长度变化量后的平均裂纹长度变化量。试验过程中过加载点沿加载方向的位移。裂纹嘴张开位移crackmouthopeningdisplacement试验过程中裂纹嘴垂直于裂纹面的张开位移。C绕裂纹尖端从裂纹的一个自由面到另一个自由面的围线积分。注1:见图1,用于表征物体在大范围蠕变条件下任一时刻裂纹前沿局部应力和应变率场。注2:在X-Y平面内裂纹尖端平行Z轴的线性积分C见公式(1): (1)W——单位体积瞬时应力功或能量率；T——围绕(即包含)裂纹尖端的积分路径；T——在ds上外部拉应力矢量；u——在ds上位移速率矢量；x,y——直角坐标系；ds——轮廓回线上的增量；沿P进入闭合曲面应力能率，图1裂纹尖端积分路径示意图3初始蠕变裂纹扩展至0.2mm所对应的时间。4符号及说明本文件所使用的符号及说明见表1。表1符号及说明符号说明单位A稳态蠕变幂律本构系数a裂纹长度mm最终裂纹长度mm最终裂纹长度预测值mm初始裂纹长度mmB试样厚度mm侧槽试样的净厚度mmC蠕变条件下，裂纹尖端断裂参量MPam/h保载过程中C,的平均值N/(mmh)蠕变断裂参量，C.和C的统称MPam/h大范围蠕变条件下，裂纹尖端断裂参量MPam/hD加载杆螺纹外径mmRamberg-Osgood本构系数蠕变-疲劳裂纹扩展速率mm/cycle蠕变-疲劳裂纹扩展速率中循环相关的裂纹扩展速率mm/cycle蠕变-疲劳裂纹扩展速率中保载时的裂纹扩展速率mm/cycle蠕变裂纹扩展速率mm/b平均裂纹扩展速率mm/hE弹性模量MPaf加载频率H与蠕变幂律本构指数和试样形状尺寸相关的函数J积分塑性分量MPammK应力强度因子MPam¹/2侧槽试样的应力强度因子MPam¹/2L试样半高mmM焊接强度失配因子，焊缝材料和母材屈服强度的比值mRamberg-Osgood本构指数N疲劳循环周次7稳态蠕变幂律本构指数4表1符号及说明(续)符号说明单位P试验施加载荷N预制裂纹疲劳载荷NR循环载荷最小值与最大值之比C型试样内径mmC型试样外径mmRp₂试验温度下，垂直于裂纹面方向材料的0.2%规定非比例延伸强度MPaT温度℃t试验时间h循环载荷中的保载时间h瞬态蠕变时间hV试样上任一时刻的电压测量值试验结束时刻的电压V₀初始电压W试样宽度mmXC型试样加载孔偏移量mm形状因子 Y₀两个电压测点距离的一半mmδ位移mm裂纹嘴张开位移mm加载线位移mm蠕变位移mm弹性位移mm塑性位移mmδ位移速率mm/h蠕变位移速率mm/h弹性位移速率mm/h塑性位移速率mm/hσ试样上施加的名义应力MPaU泊松比裂纹扩展量mm最终裂纹扩展量mm最终裂纹扩展量预测值mm疲劳载荷下的应力强度因子范围MPam¹/2载荷范围N保载过程中蠕变位移增量mm注：除非特别说明，本表格所列举的各参数符号的数值均为试验温度下的测量或计算值。55试验原理5.1蠕变裂纹扩展试验原理在恒定温度下，沿预制裂纹试样加载线方向施加恒定载荷并保持一定时间，通过测试裂纹长度与时间的变化曲线、位移与时间的变化曲线，计算得到裂纹起裂时间、蠕变裂纹扩展速率da/dt和断裂参量5.2蠕变-疲劳裂纹扩展试验原理在恒定温度下，沿预制裂纹试样加载线方向施加循环载荷，通过测试裂纹长度随时间的变化曲线、裂纹长度随循环周次的变化曲线、位移随时间的变化曲线和位移随循环周次的变化曲线，计算得到蠕变脆性材料的裂纹扩展速率da/dN与循环应力强度因子范围△K的关系，及蠕变延性材料的平均裂纹扩展速率(da/dt)avg与断裂参量(C₁)avg的关系。6一般要求6.1加载方式的确定6.1.1蠕变裂纹扩展测试的加载方式有恒力、恒位移和恒位移速率加载三种，推荐采用恒力加载。注：恒位移和恒位移速率加载仅适用于极脆的材料，按这两种方式加载时，其测试结果宜与恒力加载的测试结果比对，以保证分析结果的可信度。6.1.2蠕变-疲劳裂纹扩展测试中存在时间相关的沿晶蠕变和循环相关的穿晶疲劳两种类型的裂纹扩展机制，与材料类型、外加载荷频率、载荷谱类型相关。在试验周期允许的条件下，推荐选取与服役工况类似的加载频率和波形。6.2试样的选取6.2.1试样类型包括：紧凑拉伸(CT)试样、C型拉伸(CST)试样、单边缺口拉伸(SENT)试样、单边缺口弯曲(SENB)试样、双边缺口拉伸(DENT)试样、中心缺口拉伸(MT)试样。6.2.2蠕变裂纹扩展试验和蠕变-疲劳裂纹扩展试验均推荐采用CT试样。6.2.3采用其他类型试样进行蠕变裂纹扩展试验宜考虑以下因素：a)试样的应力状态与构件的应力状态相似；b)用于测试的材料量及其尺寸；c)材料蠕变延性和应力敏感性；对蠕变脆性材料，推荐采用CT试样；d)测试设备能力；e)加载方式(拉伸、弯曲和拉伸加弯曲)。6.2.4应通过改变试样类型、尺寸、侧槽轮廓调整试样拘束度，使裂纹前沿满足均匀扩展的要求。6.2.5所选试样类型及尺寸应有足够的韧带长度，以获取足够的裂纹扩展数据。6.3试验周期的要求6.3.1对于蠕变裂纹扩展试验，试验时间应大于1000h。注：试验时间在5000h～10000h,可以降低裂纹尖端塑性，使裂纹稳态开裂。6.3.2对于蠕变-疲劳裂纹扩展试验，应根据测试材料和测试温度确定加载速率、最大载荷、保载时间，以保证有明显的蠕变-疲劳交互的裂纹扩展。66.4数据记录的要求6.4.1对于蠕变裂纹扩展试验，应实时记录裂纹尺寸、载荷、位移、温度随时间的变化曲线。6.4.2对于蠕变-疲劳裂纹扩展试验，应实时记录裂纹尺寸、载荷、位移、温度随时间及循环周次的变化6.5最小试验频次的要求6.5.1对于蠕变裂纹扩展试验应进行多次测试以确定数据分散带。宜在不同载荷下至少进行5次试验，且测试获得的裂纹扩展数据应有重叠。6.5.2若材料呈现出不规则的晶粒尺寸和空洞、焊缝(X焊缝、热影响区)等其他几何不连续状况，应增加试验频次。除去测试因素的影响，如果蠕变裂纹扩展数据的分散性增加，应增加试验频次。6.5.3若需要得到蠕变裂纹起裂寿命，试验频次应不少于5次，且应均匀地覆盖所关注的测试时长。6.5.4对于蠕变-疲劳裂纹扩展试验，应至少进行2次试验，且获得的裂纹扩展速率数据应有重叠。6.6关联参量的选取6.6.1蠕变裂纹扩展速率的关联参量有K、C₀及C。关联参量的选取取决于材料的蠕变性能、试样类型及其尺寸。对于蠕变延性材料，推荐采用C.或C(统称为C*)。对蠕变脆性材料，推荐采用C,或K。按附录A计算相关试样的断裂参量。6.6.2蠕变-疲劳裂纹扩展速率的关联参量有△K及(C)ag。对于蠕变脆性材料，蠕变-疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子范围△K相关联。对于蠕变延性材料，平均裂纹扩展速率(da/dt)与C参数的平均值(C)a相关联。按附录B计算相关的断裂参量，获得蠕变-疲劳裂纹扩展速率方程。注：相关研究显示，对于单轴蠕变断后伸长率在10%及以上的材料，(da/dt)awg与(C)wg的关联与保载时间无关。6.6.3对焊接接头试样进行蠕变裂纹扩展速率测试时，应按附录C对断裂参量进行修正。6.6.4特殊情况下需要测试获得蠕变-疲劳小裂纹扩展速率，具体方法及要求见附录D。7试验设备7.1一般要求试验设备一般包括试验机、加载装置、加热装置和温度测量系统、位移测量装置、裂纹长度测量7.2试验机7.2.1蠕变裂纹扩展试验机试验允许在不同类型的蠕变试验机上进行，但应满足以下要求：a)试验机能提供施加轴向试验力并使试样上产生的弯矩和扭矩最小，试验前对试验机进行外观检查以确保试验机的加力杆、夹具、万向节和连接装置都处于良好状态；b)试验机能均匀平稳无震动地在试样上施加载荷；c)试验机远离外界的震动和冲击，具有试样断裂时将震动降到最小的缓冲装置；d)试验机按照GB/T16825.2检验力值，力值精度优于±1%;e)试验机按照GB/T34104检验加载同轴度，同轴度不大于10%;f)试验机的校准按JJG276执行。77.2.2蠕变-疲劳裂纹扩展试验机试验允许在不同类型的疲劳试验机上进行，但应满足以下要求：a)试验机有足够的刚度，并能够在载荷控制下循环运动；b)试验机按照GB/T16825.1检验静态力值，力值精度优于±1%,示值变动度不超过1%;按照GB/T25917.1或JJG556检验动态力值，力值精度优于±2%;c)试验机按照GB/T34104检验加载同轴度，同轴度不大于8%;d)试验机能记录所有周次；e)试验机的校准按JJG556执行。7.3加载装置7.3.1CT试样的加载装置按图2设计。销钉与销孔间隙应使两者摩擦减至最小。7.3.2应保证加载装置具有足够的刚性和同轴度。单位为毫米图2U型夹具尺寸图7.4加热装置和温度测量系统加热装置应使试样能够均匀地加热到规定的温度。7.4.2加热装置温度的允许偏差加热装置应加热试样至试验温度(T)。试验温度(T)和显示温度(T;)之间的允许偏差和试样韧带上温度梯度应满足表2的要求。对于试验温度超过1100℃的试验，应由双方协商确定温度的允许偏差。8显示温度(T;)应在试样韧带区表面测得，并应考虑所有的误差，以对误差进行修正。可采用加热炉各个加热区间温度的间接测量方式来代替直接测量试样表面温度，并证实该方法能满足上述偏差的要求。表2T;和T的允许偏差和试样韧带上温度梯度单位为摄氏度试验温度试样韧带上温度梯度345士667.4.3加热装置均温带的校准加热装置的均温带应按照JJG276进行校准。7.4.4温度测量系统温度显示装置的分辨力应至少为0.5℃,测温装置的准确度应等于或优于1℃。应保证热电偶的测量端能与试样表面良好接触，并应做好热辐射屏蔽。炉内热电偶的其余部分应有热防护和电绝缘措施。注：此条款不适用于间接测量装置。7.4.5热电偶和测温系统的校准热电偶应按照JJG141或JJF1637进行校准。对于试验时间较短(通常不超过500h)的热电偶应至少每12个月校准一次。对于试验时间超过12个月的贵金属热电偶宜按以下要求校准：a)规定温度不大于600℃的，每4年校准一次；b)规定温度大于600℃而不小于800℃的，每2年校准一次；c)规定温度大于800℃的，每1年校准一次。如果试验时间超过校准周期，应在试验完成后立即校准。温度测量系统的校准温度测量系统(包括补偿导线、连接点、冷端、显示器或记录仪、数据线等)应按照可以追溯至温度国际单位的校准方法进行校准。应在相关温度范围内对测温仪表按照JJG617进行校准，宜每年校准一次。7.5位移测量装置7.5.1试验过程中应连续测量加载线位移或裂纹嘴张开位移，位移方向应与加载方向一致。可采用各种形式的位移测试装置，但应确保引伸机构不会引入试样以外的其他变形。推荐的一种位移测量装置见附录E。7.5.2宜使用量程不超过测试期间预期位移量两倍的位移引伸计。应采用优于1级精度的位移引伸计，应按照GB/T12160进行校准，宜每年校准一次。9GB/T42903—20237.5.3位移测量装置的刀刃应具有较低的摩擦系数。刀刃的平行度应保持在士1°以内。7.6裂纹长度测量系统宜使用测量分辨率不大于0.1mm的裂纹长度测量系统。选定的裂纹长度测量技术应能够测量整个厚度的平均裂纹尺寸。推荐的一种裂纹长度测量技术见附录F。注：裂纹长度测量精度为一组重复测量结果平均值的标准偏差。8.1一般要求8.1.1测试试样应预制裂纹，试样类型包括：CT试样、CST试样、SENT试样、SENB试样、DENT试8.1.2CT试样和其余推荐试样的示意图和尺寸见图3。表3给出了8.1.1中各类型试样的尺寸范围。对于CT试样，裂纹切口宽度可达0.1W。对于具有较短初始裂纹的试样，宜采用0.05W的切口宽度。8.1.3蠕变裂纹扩展用CT试样的宽厚比W/B一般为2。蠕变-疲劳裂纹扩展用CT试样的宽厚比W/B一般为4。8.1.4蠕变裂纹扩展试样的初始裂纹尺寸a。应为0.45W～0.55W。蠕变-疲劳裂纹扩展试样的初始裂纹尺寸a。应为0.25W～0.35W。8.2试样尺寸试样尺寸应满足6.2的要求。推荐的试样尺寸见图3和表3。CT试样尺寸应在图4所示的加工公差范围内。8.3切口制备试样切口可以通过电火花加工(EDM)、铣削、拉削或锯切来制造。应在测试之前通过疲劳预制裂纹或EDM等裂尖锐化方法加工至初始裂纹尺寸ao。8.4预制裂纹8.4.1疲劳预制裂纹是用于产生初始锐裂纹的方法。对于某些蠕变脆性材料，如金属间化合物，由于直裂纹难以疲劳预制，可采用EDM加工获取。以下列出了用于预制裂纹的两种方法：a)EDM预制裂纹：EDM预制裂纹的宽度不应超过0.1mm。应采取预防措施，以避免局部过热改变裂纹尖端附近材料的微观结构。EDM预制裂纹长度应大于0.05W。b)疲劳预制裂纹：在室温下或在室温和试验温度之间的任一温度下，采用疲劳加载的方式预制锐裂纹，力值比R宜为0.1。预制裂纹最大疲劳载荷可用公式(2)估算： (2)8.4.2疲劳预制裂纹时，最终扩展量0.64mm的最大载荷不应大于以下两者中的较小值：P;或应力强度因子范围与杨氏模量的比值(△K/E)不大于0.0025mm¹/2。疲劳载荷的准确度应在士5%以内。8.4.3疲劳预制裂纹时，最终扩展量0.5mm的最大载荷不应超过裂纹扩展试验施加的载荷。8.4.4为了便于在低应力下产生裂纹，可将缺口根部半径加工至0.075mm。8.4.5不应在预制裂纹后和试验之间对试样进行中间热处理。8.4.6疲劳预制裂纹扩展量应大干0.05W及1.3mm中的较大值。a)CT试样c)MT试样e)SENT试样b)CST试样d)DENT试样f)SENB试样标引序号说明：1——电流输入；3——侧槽。图36种推荐试样类型示意图表3推荐试样尺寸单位为毫米名称缩写全称WBH,L,R₀紧凑拉伸W/2～W/4H=0.6WC型拉伸W～W/2R₀=2W单边缺口拉伸W/2～W/4单边缺口弯曲DENT双边缺口拉伸W～W/2MT中心缺口拉伸W～W/2单位为毫米8.5.1为满足裂纹前沿扩展量的均匀性要求，通常在试样上加工侧槽，深度一般为0注：根据材料延性和裂纹扩展前沿调整侧槽深度，侧槽深度宜通过试验确定。对于蠕变延性好的材料，侧槽深度可8.5.2为产生较均匀的裂纹扩展，侧槽的夹角应小于8.5.3应在预制疲劳裂纹完成后加工侧槽。9试验程序使用引伸计测量位移时，炉外空气温度的波动会产生测量误差，读取引伸计测量数值时，试验机环境温度波动不应超过±3℃。9.2试样尺寸的测量9.2.1用最小分度值不大于0.01mm的量具在试样的韧带区域三点处测量厚度B,取算术平均值。9.2.2用最小分度值不大于0.001W的量具在试样的裂纹所在截面附近测量宽度W。9.3试样安装通过销钉使试样安装在试验机上，施加约最大试验载荷10%的初载荷。9.4热电偶安装9.4.1热电偶应紧贴试样安装于裂纹面上方或下方2mm～5mm的韧带区域。对于大于50mm的试样，宜使用多个热电偶，均匀地布置在裂纹面上方或下方的韧带区域。9.4.2热电偶应与试样保持密切接触，必要时保护其免受辐射影响。如果暴露测点和遮蔽测点的显示温度差小于表2中允许偏差的一半时，可不做屏蔽。9.5电位法测量试样的裂纹长度9.5.1对于以月或以年为周期的长时测试，宜考虑电位法系统的稳定性。可在远离裂纹的地方安装参考电压探针，观测参考电压的变化来确定电位法系统的稳定性。如果发现参考电压存在差异，可从主电压信号中减去参考电压变化量，以消除电位法系统的影响。9.5.2电位法测量CT试样裂纹长度的具体建议见附录F。注：仅验证了特定情况下CT试样的电位法分析，不一定适用于每一种情况。9.6.1升温过程中应施加预载荷。9.6.2升温和试验过程中温度波动和温度梯度不应超过表2的规定。9.6.3根据试样尺寸确定加热时间及保温时间。对于厚度不大于25mm的CT试样，推荐加热时间不长于2h,保温时间不少于1h。9.6.4升温开始时，电位系统的电流应同时施加到试样上。9.7加载9.7.1应均匀施加载荷，避免冲击和惯性过载。9.7.2施加载荷时应监控位移，以确保引伸计位置合适。9.7.3对于蠕变裂纹扩展试验，加载时间应控制在1min内。9.7.4对于蠕变-疲劳裂纹扩展试验，加载及卸载时间应尽可能短，以避免加载及卸载过程引入蠕变的影响。加载及卸载时间宜控制在2s内。9.8试验数据记录9.8.1在试验过程中测量记录试验时间、循环周次、试验温度、载荷、裂纹长度、加载线位移或裂纹嘴张开位移。9.8.2蠕变裂纹扩展试验的数据采样周期一般不短于15min,当试样接近断裂时，采样周期宜加快到1min～3min。蠕变-疲劳裂纹扩展采样周期根据加载波形确定，应完整记录每个循环内的相关数据。9.8.3采用直流电位技术测量裂纹长度时，应每24h内测量一次无电流的电位。9.9试验后的裂纹测量9.9.1试验后应将试样打断，进行断口检查测定初始裂纹长度a。及最终裂纹长度ar。注：宜在室温下采用循环加载破断试样。对于铁素体钢可冷却到韧脆转变温度以下拉断。9.9.2为便于精确测量最终裂纹长度，应在试样断裂前结束试验。从试样表面或侧槽试样侧槽根部向内延伸0.005W,在试样有效厚度中心线9个相同距离测量裂纹长度，依次记为a₁~ag。测量仪器应具GB/T42903—2023有0.025mm的准确度。最终裂纹长度按公式(3)计算。本方法同样适用于确定初始裂纹长度。………(3)10试验结果处理10.1有效性10.1.1当采用间接方式测量裂纹扩展时，所获得的裂纹长度均为预测值。按公式(4)计算得到最终裂纹扩展量预测值△apt。应根据裂纹扩展量预测值是否满足公式(5)来判定试验结果的有效性。△apf=apí—ao (4) (5)10.1.2以下情况视为试验无效：a)九点法测得的初始裂纹长度测量值的任一个比a₀大10%;b)九点法测得的最终裂纹长度测量值的任一个比a;大10%;c)试验过程中温度偏差超过表2规定的限值，且裂纹扩展量达到0.5mm。10.2确定裂纹起裂时间、裂纹扩展速率和位移速率10.2.1从记录的裂纹扩展长度、位移与时间数据中，按下述规格选取数据用于后续分析：a)相邻数据点之间的最小位移增量应不大于引伸计满量程的0.1%;b)相邻数据点之间的裂纹长度增量宜为0.25mm,不大于0.02W。10.2.2绘制裂纹扩展量与时间的数据点，拟合成曲线，找到裂纹扩展0.2mm对应的时间，即为裂纹起裂时间。10.2.3蠕变裂纹及蠕变-疲劳裂纹扩展速率根据裂纹长度与时间(a-t)或裂纹长度与循环周次(a-N)数据确定，蠕变位移速率根据位移与时间(δ-t)数据确定。蠕变位移速率的计算方法见附录G。宜采用割线法或递增多项式拟合获得蠕变-疲劳裂纹扩展速率和位移速率，数据处理方法见附录H。10.3计算断裂参量断裂参量K和C应按附录A计算；保载过程中的(C)ag应按附录B计算。10.4试验数据有效性的判定试验数据应满足下列有效性判据，对不满足有效性判据的数据应作出标记。a)对于蠕变裂纹扩展，时间未超过转变时间tr的数据是无效的，转变时间tr按公式(6)确定。b)对于蠕变裂纹扩展，裂纹扩展0.2mm以前的数据是无效的。c)为保证蠕变裂纹扩展速率和C*唯一相关，数据应满足δ。/δ≥C的要求。C在0.5～0.8之间。当数据满足δ。/δ≥0.8,是有效的；在0.5≤δ./δ<0.8之间的数据，如果da/dt-C*数据趋势可分辨，且与有效数据趋向一致，可认为是有效的。d)如果试验过程中材料外侧的裂纹和原始裂纹扩展平面的裂纹取向偏差在5°以上，试验数据无效。e)加载线位移或裂纹嘴张开位移累积超过0.05W,试验数据无效。按GB/T8170进行数值的修约，修约到4位有效数字。11试验报告试验报告应包括下列内容：d)取样方位，从结构件取样时应给出取样图；h)异常数据现象的说明。GB/T42903—2023(规范性)断裂力学参量计算方法A.1试样断裂力学参数A.1.1本附录详细列出了图3中各类型试样的断裂力学参数(K,C*)计算方法。A.1.2断裂力学参数C*是用于关联蠕变裂纹扩展速率最常用的参量。应力强度因子K用于蠕变变形和活化能低的情况。A.1.3对于蠕变-疲劳裂纹扩展，常用的断裂力学参量是△K及(C)ag。△K适用于蠕变脆性材料，(C)ag适用于蠕变延性材料。A.2应力强度因子K的解A.2.1给出了适合图3所示各类型试样的应力强度因子解。本计算方法亦适用于求解应力强度因子范围。A.2.2通用的应力强度因子解见公式(A.1)。K=Ya/wgVa……………(A.1)A.2.3侧槽试样的应力强度因子解见公式(A.2)。A.2.4不同类型试样的Y(a/w)因子按公式(A.3)～公式(A.10)计算。——CT试样：f(a/W)=0.886+4.64(a/W)-13.32(a/W)²+14.72(a/W)³-5.6(a/W)⁴……(A.4)——SENB试样(跨距=4W,L/W=2):——DENT试样(宽度W应由2W替代):GB/T42903—2023A.2.5不同类型试样的远场应力σ按照公式(A.11)～公式(A.13)计算。——DENT试样和MT试样：…………(A.11)…………(A.12)……………(A.13)A.3C*的解A.3.1参数C*有多种计算方法。宜按公式(A.14)或公式(A.15)计算C*值。………(A.15)注：测量加载线位移(δLD)或裂纹张开嘴位移(δCMOD)的方法见图3。表A.1不同类型试样的H因子解试样类型HICMOEHLDn/(n+1)n/(n+1)CSTSENTSENBDENT0.5(n-1)/(n+1)0.5(n-1)/(n+1)MTGB/T42903—2023(规范性)蠕变-疲劳裂纹扩展速率描述模型B.1概述蠕变-疲劳裂纹扩展速率表示为疲劳裂纹扩展速率da/dN和保载时的平均裂纹扩展速率(da/dt)awg,da/dN和(da/dt)avg分别是应力强度因子范围△K和平均断裂参量(C)ag的函数。B.2应力强度因子范围△K应力强度因子范围△K为测试时最高载荷与最低载荷对应的应力强度因子差，按附录A计算相应的应力强度因子。B.3保载过程中的(C₁)awgB.3.1对于蠕变延性材料，(C)g可以有效的描述蠕变-疲劳裂纹扩展速率与保载时间th的关系。平均裂纹扩展速率(da/dt)avg表示为(C)avg的函数。(C)a的计算方法见公式(B.1)。………(B.1)B.3.2若能准确测量保载时的位移变化量，可通过载荷和加载线位移计算(C₁)ag,见公式(B.2)和公式B.3.3若不能准确测量保载时的位移变化量，可以用公式(B.4)～公式(B.7)估算(C)ag。(C)avg=(C)ssc+C(o……(B.4)……………(B.7)表B.1不同幂率蠕变指数下的F(90°,n)值734Fu(90°,n)0.2760.3620.425123571B.4裂纹扩展速率计算模型蠕变-疲劳裂纹扩展速率通常采用线性叠加模型描述，按公式(B.9)及公式(B.10)计算。是保载时的裂纹扩展速率。在假设两者独立的情况下，(da/dN)y可以由同等温度下的疲劳裂纹扩展试验获得。(规范性)焊接接头试样的断裂力学参量计算方法C.1若需要测试得到焊接接头焊缝或热影响区的裂纹扩展速率，宜参考图C.1加工试样。C.2研究表明，试料的焊后热处理、原材料切割和试样加工、试验时的蠕变松弛等均会迅速降低二次应力，对于小于5000h的试验，通常认为外载荷是裂纹扩展的主要驱动力，可不考虑残余应力的影响。限值。a)裂纹位于热影响区b)裂纹位于焊缝标引序号说明：1——焊接区域；2——热影响区；3——基体区域。图C.1焊接接头试样示意图试样类型η^MOD和ηuD裂纹长度适用范围p¹LD=2.71-0.38M±0.200.45≤a/W≤0.7CSTnMoD=4.27-0.49M±0.38p¹LD=2.50-0.29M±0.120.3≤a/W≤0.70.3≤a/W≤0.7SENTηMoD=1.13-0.13M±0.090.1≤a/W≤0.70.5≤a/W≤0.7SENBη^MOD=0.79-0.08M±0.12p¹LD=2.21-0.25M±0.140.2≤a/W≤0.70.4≤a/W≤0.7DENTnMoD=1.05-0.24M±0.16pD=1.06-0.34M±0.180.3≤a/W≤0.70.5≤a/W≤0.7MTη^MOD=1.29-0.26M±0.14η¹LD=1.35-0.38M±0.150.2≤a/W≤0.70.2≤a/W≤0.7(资料性)蠕变-疲劳小裂纹扩展速率测试方法D.1范围本附录中给出了小裂纹试样形状与尺寸、裂纹长度测定方法和试验数据处理方法。在同样的应力强度因子下，小裂纹的扩展速率要高于长裂纹，并且在小于长裂纹扩展门槛值的情况下小裂纹会扩展。工程上常常会把裂纹长度小于0.5mm的裂纹称之为小裂纹。按照小裂纹遵循的力学规律，可将裂纹做如下分类。a)微观结构小裂纹。这类小裂纹的尺寸与材料的微观特征尺寸相当，如晶粒尺寸、第二相尺寸等。这个阶段的裂纹，不满足连续介质力学的假设，其扩展受到微观结构的强烈影响。b)力学小裂纹。这类小裂纹的尺寸与裂纹尖端塑性区的尺寸相当，因此这个阶段的裂纹扩展行为主要受塑性区的影响，且线弹性断裂力学的方法不适用。c)物理小裂纹。在这个阶段，塑性区尺寸和微观结构都远小于裂纹的尺寸，因此微观结构和裂纹塑性区对物理小裂纹扩展的影响不大。它满足小范围屈服的基本假设，满足修正的线弹性断裂力学方法。d)长裂纹。这里的长裂纹指的是宏观长裂纹，工程上一般指长度大于0.5mm的裂纹。D.2小裂纹长度测量方法本附录推荐了三种裂纹长度测量方法，根据具体情况，优选一种。a)复型法：在一定循环间隔下终止循环载荷，加一静力(不大于最大试验力的80%),用丙酮清洗试样表面，滴适量丙酮后将醋酸纤维素薄膜轻轻压在试样表面，待干燥取下复型。在显微镜下观察复型并测量裂纹长度，记下小裂纹长度与相应的循环数。如发现气泡和其他夹杂物使复型不清晰，应重新复型。宜保证单次试验中至少有25个～30个复型。b)直流电位法：建议使用能提供10A～50A的电流源，干扰信号小于0.05%的长时稳定电流。电位计能测出初始200μV中0.2μV的变化。增益为10¹时，要求从2V～6V测量范围内，能测出2mV的变化。裂纹长度计算方法见附录F。c)长焦距显微镜法：同室温下用读数显微镜观察长裂纹一样，将长焦距显微镜镜头对准要测的小裂纹扩展区域，并配备处理图像、数据的计算机系统。D.3试样D.3.1试样尺寸和形状在试样上加工一小尺寸切口诱导裂纹萌生，切口可用电火花或薄砂轮制备。预制裂纹长度应不小于2倍切口尖端半径。推荐的小裂纹试样如图D.1和图D.2所示。图D.1为半椭圆表面裂纹试样，该形状有利于避免形成角裂纹和适用于大应力范围。图D.2为半圆缺口拉伸试样，其优点是可以产生自然萌生的裂纹。标引序号说明：1——试样编号。标引序号说明：1——试样编号。单位为毫米单位为毫米D.3.2试样表面处理应在试验前采取手段消除机加工引起的表面残余应力和表面粗糙度对裂纹扩展行为的影响。机加抛光后去除残余应力。D.3.3小裂纹的预制D.3.3.1对于半椭圆表面裂纹试样(见图D.1),可用电火花预制0.5mm长、0.05mm深的半椭圆表面D.3.3.2对于半圆缺口拉伸试样(见图D.2),可用电火花在半圆底部预制0.5mm长、0.05mm深的表需要预制裂纹。D.3.4最大力值和力值比对于许多材料，试验时的最大名义应力取为0.6倍屈服强度，可在相对较短时间内产生疲劳小裂纹。当最大名义应力接近屈服强度时，易萌生多条裂纹。分析时需考虑塑性变形、力值比对小裂纹起裂除了测量表面裂纹的长度(2a)外，计算裂纹的驱动力时，还应计入裂纹形状的影响。通常，假设裂纹为半椭圆表面裂纹。实际的裂纹深度数据可通过测量不同试验阶段的中断试样断口得到。D.4试验结果处理D.4.1应力强度因子范围△K的计算D.4.1.1小裂纹测试中假设裂纹为半椭圆形，应力强度因子范围按公式(D.1)计算。△K=F;△o;√πa/Q……………(D.1)△o;——远场应力范围；Q——形状因子；F;——边界修正因子。D.4.1.2对于半椭圆表面小裂纹，受均匀拉伸应力的试样(见图D.1与图D.3),其应力强度因子范围的计算见有关参考文献。D.4.1.3对于半圆缺口小裂纹，受均匀拉伸应力的试样(见图D.2与图D.4),其应力强度因子范围的计算见有关参考文献。a)半椭圆表面裂纹几何图形b)参量角θ的定义图D.3半椭圆表面裂纹几何图形以及参量角θ的定义a)表面裂纹b)角裂纹c)参量角φ的定义图D.4试样尺寸、表面裂纹和角裂纹几何图形以及参量角φ的定义D.4.2裂纹扩展速率的计算测量误差使裂纹扩展速率(da/dN)的计算结果分散。如果裂纹长度测量间隔△a减小，则测量误差对da/dN的影响增大；不同的数据处理方法也影响裂纹扩展速率的分散度。在小裂纹da/dN处理D.5蠕变-疲劳小裂纹扩展速率的典型图例采用本附录，测试获得了两种金属材料在不同温度下的蠕变-疲劳小裂纹扩展速率。测试试样如图D.3。图D.5是304不锈钢在593℃下5min保载的蠕变-疲劳小裂纹扩展速率图，图D.6是GH4169合金在650℃下不同保载时间的蠕变-疲劳小裂纹扩展速率图。应力强度因子范围△K/(MPam¹/2;应力强度因子范围AK/(MPaml(资料性)位移测量装置计算C*(C₀或C)或(C₁)断裂参量时需要载荷线位移或裂纹嘴张开位移。本附录推荐了一种位移测量装置，如图E.1所示。位移装置和试样连接如图E.2所示。标引序号说明：1——刀刃；2——杆；3——管；4——连接位移装置；5——氮化硼支撑；6——弹簧；7——安装螺钉。GB/T42903—2023标引序号说明：1——炉子；2——垫片；3——弹簧；4——变形传感器；5——拉杆；图E.2位移装置和试样连接示意图(资料性)直流电位法测定裂纹长度F.1所有试样的电压与裂纹尺寸的关系初始和最终电压分别对应于初始和最终裂纹长度。对于中间点，任一时刻的裂纹长度a可以通过测量的初始裂纹长度a。和最终裂纹长度a;以及对应的电压数据进行线性插值获得，按公式(F.1)计算。F.2适用于CT试样的电压与裂纹尺寸换算关系F.2.1CT试样输入电流和电压测点位置见图3。可以由测量的V/V。值计算裂纹长度，计算方法见公式(F.2)。F.2.2如果试验满足10.1有效性要求，可通过线性插值法对a。和ar之间的所有数据进行修正，计算方法见公式(F.3)。F.2.3直流热电势的测量。试样上电压测点的连接性能、输出端引线电阻的微小差异均会引入热电势，导致电压信号测量误差。加载前，应切断电流记录输出电压以获得初始热电势。测试过程中，应采用同样的方法间断地记录热电势。在计算裂纹长度时，所用代入的电压值应去除热电势值。注：GB/T6398中的裂纹长度的电位法测定也适用于蠕变裂纹及蠕变-疲劳裂纹扩展的测量。F.2.4在某些情况下，测试开始后的一段时间内电压读数可能下降，之后随着裂纹扩展而增加。初始加载条件、裂纹尖端区域变形和损伤以及裂纹尖端氧化会影响电压下降程度。此时，可将试验过程中电压的最小值外推回到零时刻用于计算裂纹长度。这种情况下，试验初始的一段时间内，裂纹长度的分散性可能会增加。GB/T42903—2023(资料性)蠕变位移速率的计算方法假设亚临界蠕变裂纹扩展属于静态裂纹，此时静态裂纹的J积分解仍适用。此外，试样受载后，塑性变形会加速裂纹尖端的应力松弛、裂尖损伤和裂纹扩展。因此，对于存在显著塑性变形的情况，需要计算得到蠕变引起的位移速率用于确定蠕变断裂参量。蠕变位移速率计算方法见公式(G.1)。…………(G.1)式中：m为公式εp=D₁(o/oy)”(Ramberg-OsgoodJ,计算方法见公式(G.2)。应力-应变关系)中的应力指数，D₁为常数。GB/T42903—2023(资料性)推荐的数据处理方法H.1割线法割线法是指在裂纹长度与时间(a—t)曲线和位移与时间(δ-t)曲线上连接两个相邻的数据点计算其直线斜率，计算方法见公式(H.1)及公式(H.2)。………………(H.1)…(H.2)由于计算出的da/dt和dò/dt是裂纹扩展量(a;+i-ai)的平均速率，应使用平均裂纹长度a=H.2递增多项式法将a-t和δ—t数据通过数学拟合后求导计算得到da/dt和dò/dt。对任一试验数据点前后各n点，共(2n+1)个连续数据点，采用公式(H.3)及公式(H.4)进行拟合。点数n通常取为3。………………(H.3)…(H.4)其中，a;和δ;值分别为t;处裂纹长度和位移速率的拟合值。系数bo,bu,b₂₁,bo₂,b₁₂,b₂₂为回归参数，采用最小二乘法确定。(t;-C₁)/C₂的数值介于一1～1之间。参数C₁=0.5(t;-n+t;+n)和C₂=0.5(t;-n-t;+n)用于变换输入数据，以避免确定回归参数时的数值计算难度。t;处裂纹扩展速率和位移速率由公式(H.3)和公式(H.4)对时间求导获得，计算方法见公式(H.5)及公式(H.6)。………………(H.6)计算与上述速率相关的K、J、C*和C.值时应采用与t;对应的拟合裂纹长度a;。[1]GB/T6398—2017金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法[2]丁传富，刘建中，胡本润，吴学仁.金属材料疲劳小裂纹扩展速率试验方法[C].全国MTS材料试验学术会议，2001.[3]BassaniJL,HawkDE,SaxenaA.EvaluationoftheCtparameterforcharacte