GB4161-1984 金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法

中华人民共和国国家标准

UDC669:620

.178.3

金属材料平面应变

断裂韧度Klc试验方法

GB4161-84

Standardtestmethodforplane一struta

fracturetouRhnessofmetallicmaterials

本方法采用厚度等厂或大于1.6mm带材的疲劳裂纹的二点弯曲、紧凑拉仲、C形拉伸和圆形紧凑

拉f中试样，测定金属材料的平面应变断裂韧度K,,。当试验结果无效时，还可以按本方法规定测定试

样强度比R-。

概迷

1.1本方法用带有疲劳预裂纹的缺L7试样，在三点弯曲或拉仲加载下自动记录载荷P及裂纹嘴的张

开位移V。然后，按木标准规定的方法，在记录的P一V曲线上求出裂纹长度的表观扩展暇为2%uI!才

的载荷，将此载荷代人相应试样的K:表达式，计算K,。的条件值Ka，如果试验结果满足木力法规定的

有效性判据，Kq=K,c,否则，试验结果无效。

1.2用本方法测定的K,c表征在中性环境中，在裂纹前缘近似处犷三轴拉伸平面应变条件，让裂纹

顶端塑性区尺寸远小十裂纹尺寸和约束方向上的试样尺寸时，材料对断裂的抗力。K,c是断裂韧性的

下限值。

材料的Kic值与加载速率和温度有关。本方法要求试样的加载速率应使应力强度因子速$3在0.55

一2.75MPam今、(1.77--8.77kgfmm一登/5)范围14.

13如果坏料不能提供尺寸合乎本试验方法要求的试样，只能用本方法测定试样强度比凡(角标

x表示所用试样的形状)。它可以作为材料切性的相对度量。

1.4木方法可用于F列目的:

1.4.1研究冶金因素(成分，热处理)或制造工艺(如焊接、成型)对材料断裂团度的影响。

1.4.2评价材料是否适用。若已知具体使用条件下的应力状态，并能可靠地确定最大裂纹尺寸，}丁

以根据KIC判定某种材料是否适用。应当指出，在K:小于K,。的情配卜.循环载荷、腐蚀介性或持久

载荷也能引起裂纹扩展并使其扩展加速。因此在选用K,。值时，应注意实验室试验条件和现场条件之

{问的差别。

1.4.3作为验收和产品质量控制标准。如果已知材料的K,c值，而且_产品尺寸可以提供尺寸一足够人

的满足K,试验有效性条件的试样，则K,。可以作为材料验收和产品质量控制标准

如果要对材料在某一具体应用中的Ku提出要求，Pq先应该对构件的受力情况、上作环境、无Vi

检测裂纹方法的灵敏度、可靠性等方面进行研究后，才能确定合理的K，二值。

2符号及单位

SE(B)—三点弯曲试样.

C(T)-紧凑拉伸试样;

A(T)—C形拉仲试样.

DC(T)-圆形紧凑拉伸试样;

国家标准局1984一2一24发布1985一01一01实施

GB41引一肠

甲—试样宽度，mm;

B-试样厚度，mm;

W-a—试样韧带尺寸，MM;

S-弯曲试验跨距，mm;

L—三点弯曲试样总长度或C形拉伸试样加载孔中心线处的外圆弦长，MM;

r,-C形拉伸试样的内半径，MM;

r,—C形拉伸试样的外半径，MM;

X-C形拉伸试样加载孔的偏置尺寸，MMI

D—圆形紧凑拉伸试样的直径，mm;

r—圆形紧凑拉伸试样的半径，MM,

f-平断口部分的宽度，mm;

ai疲劳裂纹长度，mm;

a—裂纹长度(机加工缺口长度加疲劳裂纹长度)，MM;

AaW，试样几何形状因子;

p—试验载荷，幼fI

P}IP.—按图11确定的载荷值，比f,

Pm.x-试样所能承受的最大载荷，kgf;

凡m。二—最大疲劳载荷，kgf;

Pfmin—最小疲劳载荷，kgf;

V—裂纹嘴两侧刀口张开位移，MM;

E—弹性模量，kgfmm'，

a，—屈服强度。a.kgf-ml;

。，.—温度T:时的屈服强度，kgfmmz;

0,2—温度T2时的屈服强度，kgfmmz;

‘，一应力强度因子，MNm-i,或MPa耐(kgfmmf')。

‘1。—平面应变断裂v1)度，MNm_z或MPam+(kgfmm-f)

Kc-Ki‘的条件值，MPam+(kgfmm_+)，

Kim..—预制疲劳裂纹时的最大应力强度因子，，MPam+(kgfr

Kfm。—预制疲劳裂纹时的最小应力强度因子，MPamf(kgfr

AK—应力强度因子幅度，AK=Kfm。二一Kfm。，MPa耐

IC,—应力强度因子速率，MPami/s(kgfmm-+/s);

户—加载速率，kN/s(kgf/s)，

凡。—三点弯曲试样的试样强度比;

凡。—紧凑拉伸试样的试样强度比。

凡。-C形拉伸试样的试样强度比，

R,a,圆形紧凑拉伸试样的试样强度比。

?4:;MPam}=MNm},MPa一MNm一:。

1kgf=0,807N,1kgfmm一i二。.310MPam}。

a定义

8.1应力强度因子KrMNm-i(kgfmm朽—线弹性介质中，I型裂纹顶端的应力场强度

K，二limitay(2ar)于

r书0

GB4161-84

式中:01,-垂直裂纹面的主应力;

，—。，所在位置到裂纹顶端的距离。

3.2平面应变断裂韧度KccMNm一i(kgfmm$)-Ki。是按本试验方法测定的应力强度因f-K,

的临界值。它表征材料抵抗裂纹扩展的能力，是度量材料韧性好坏的一个定量指标。其中罗马数字工

指I型裂纹及裂纹顶端处于平面应变状态。

注:I型裂纹表示两个裂纹面沿其垂直方向移开的变形情况。

3.3试样强度比况，一此比值为无量纲量，它与试样所能承受的最大载荷、试样尺寸及材料的屈

服强度有关。各试样强度比的计算式见附录C,D,E,F(补充件)。与K。值不同，该比值不是

断裂力学指标。当K。不满足Ki。试验有效性条件时，如果试样形状、尺寸相同，且最大载荷是由于

裂纹显著扩展，不是塑性失稳造成的，此时，可以计算试样强度比并作为材料韧性的相对度量。

.试验装t

本试验可以采用各种形式的试验机，但应备有自动记录装置并满足GB228-76((金属拉力试验法》

中对试验机及测量工具的各项要求。

4.1试验夹具的结构应使摩擦力对被测载荷的影响减至最小。各类试样所用夹具列于附录C、D,

4.2引伸计应能准确指示裂纹嘴标距间的相对位移，且能稳妥地安在试样上。当试样断裂时，引伸

计能自行脱开而无损坏。图1是本方法推荐的双悬臂梁夹式引伸计。详细说明见附录A(补充件)。

电阻应变片

ie术仪

羊l

图1安装在整体刀口上的双悬臂夹式引伸计

注:5000应变片的灵敏度比1200的高。

4.2.1试样必须有一对精确加工的刀口，用来支持引伸计并作为测定裂纹嘴张开位移的参考点。图2

是整体刀口的设计示例。图3是用螺钉固定刀口时的设计图，刀口间距为5mm，有效标长等于螺

钉孔中心距2C加螺钉直径。图4是用快干胶粘贴刀口时的要求。

GB4161-64

图2整体刀口设计示例

注:①尺寸以毫米为单位。

②刀口间距与附录A中的垫块尺寸相对应。

③引发缺口形状见图e,

c庄②

3.2注⑧

,<夕<so}

|司，一朽

图3螺钉固定刀口的设计示例

注:①尺寸以毫米为单位。

②有效标长二Zc+螺钉直径《万·

③刀口间距与附录人中的垫块尺寸相对应，刀口宽度不得小于夹式引伸计悬臂梁的宽度。

竺11

GB4161一助

一氦

、、、1、!

丁.1别一一.

门川川日

图4粘贴刀口

注:尺寸以毫米为单位。

4.2.2引伸计需用引伸计标定器或其它装置校核其线性。标定器在每个位移间隔上的重复性应在

0.00050mm以内。

标定程序为:把弓}伸计装在标定器上，对引伸计工作量程的十个等分点进行标定。然后取下引伸

计，并重新装上，做第二次标定。如此标定三次。引伸计的线性应当满足:每个位移读数与最小二乘

法拟合直线间的最大偏差不超过+0.0025mm。由于本试验方法只涉及位移的相对变化，所以位移读

数本身的准确度并不重要。

凡满足上述要求，且标长不超过各试样对标长的限制(见附录C,D,E,F)时，各种型式的

引伸计均可采用。

‘试样形状、尺寸和制备

5.1试样形状示于附录C、D,E、F。三点弯曲试样的代号为SE(B)，紧凑拉伸试样的为C(T),

C形拉伸试样的为A(T)、圆形紧凑拉伸试样的为DC(T)。括弧中的B代表弯曲加载，T代表拉

伸加载。

5.1.1标准试样的W/B名义上等于2，裂纹长度a名义上等于厚度B，并且在0.45一0.55W之间。

5.1.2非标准试样的W/B不等于2A曲试样可以选用1<W/B<4;其它试样可以选用2<W/B<40

非标准试样的a/W也应在0.45一0.55之间。应当注意，非标准试样的侧量结果可能与标准试样的不一

致。

与.2试样尺寸

5.2.1平面应变断裂韧度试验所要求的试样尺寸与材料的断裂韧度/屈服强度(Kcc/。，)的平方成

正比，因此本方法只给了试样的尺寸比例。

5.2.2按照本方法规定，只有试样厚度B和裂纹长度a均大于2.5(Kic/。，)’时，试验结果才有

效。其中。，为材料在Ki。试验温度和加载速率下的屈服强度ao.2。如果坯料的形状、大小不可能提供厚

度和裂纹长度都大于2.5(Kr,/。，)2的试样，则不可能用本方法进行有效的K工。测量。

5.2.8为了确定试样尺寸，应当预先估计一个材料的Km值。当已知试验材料的Ku范围时，建

议取偏高的Kic值确定试样尺寸。如果估计不出材料的Ki。值，可以根据cy/E值来选择试样尺寸

(表1)0除了韧性非常好的材料外，表1的推荐尺寸对所有材料都适用。当确知2.5(Kcc/or)'比表l

的推NR寸小得多时.可以采用较小的试样。在试验测得有效的K,c结果后，可在随后的试验巾将

GB4151一创

试样尺寸减小到a,B>2.5(Kip/U,)ao

表1

a,/E试样最小厚度和裂纹长度的推荐值mm

0.0050一0.0057

0.0057一0.0062

0.0062一0.0065

0.0065-0.0068

0.0068一0.0071

0.0071-0.0075

0.0075-0.0080

0.0080--0.0085

0.0085-0.0100

>0.0100

75

3

50

44

38

32

25

20

12.5

6.5

5.8试样制备

5.3.1材料的断裂韧度与裂纹面取向和裂纹扩展方向有关。所以，试样应按下述规定注明裂纹面取

向和裂纹扩展方向。一般采用两个字母来标记，第一个字母表示裂纹平面的法线方向;第二个字母表

示预期的裂纹扩展方向。标记方法见图5和图6。如果试样与两个参考轴成倾斜角度时，则用三个字

母标记裂纹面的取向和裂纹扩展方向。标记方法见图70

图5矩形断面板材中裂纹面取向和裂纹扩展方向的标记规定

L一长度或主变形方向;T一宽度方向或最小变形方向，S一厚度方向或第三正交方向。如T-L试

样表示裂纹面的法线方向为T,预期的裂纹扩展方向为Lo

GB4151一目

图6棒材及圆饼中裂纹面取向

和裂纹扩展方向的标记规定

L一长度方向或主变形方向，R一沿径方向，C一圆周或切线方向。如C一L试样表示裂纹面的

法线方向为C,预期的裂纹扩展方向为L,

图了试样与两个参考轴成倾斜角度时，

裂纹面取向和裂纹扩展方向的标记规定

如L一TS试样表示裂纹面的法线为L方向，预期的裂纹扩展方向在T和S方向之间，TS一L试

样表示裂纹平面的法线是T和S方向间的一个方向，预期的裂纹扩展方向为L,

5.8.2试样的尺寸公差和光洁度应满足附录C、D,E、F中图C.1,D.1,E.1,F.1的要求。

5.8.8疲劳裂纹引发缺口共有四种形式(见图8)，山形缺口的根部半径小于或等千0.25mm,其

余缺口的根部半径应小于或等于0.08mm,

GB4181一朋

疲劳裂纹

卜﹄

侧|

、、

—-—0

310i

45砂~o.55w

山形缺口

直涵形缺口

卜”州

匕"t%,.....,甲

末端为圆孔的政口

巨。川

相丝切创的缺口

(a)引发缺口和疲劳裂纹(b)山形缺口的某些规定

图8疲劳裂纹引发缺口的四种形式

注:①对于山形缺口，应该在试样的两个表面上都出现疲劳裂纹。

②对于直通形缺口，试样表面上的瘫劳裂纹长度应大于成等于。.025W或者大于或等于1.3mm滩其中之较大者。

③对于末端为回孔的缺口，从圆孔上的应力集中源算起，疲劳裂纹的扩展f应大于或等于。.05ow或大于或

等于1.3mm,取其中之较大者。

④裂纹引发缺口应垂直于试样表面和预期的扩展方向，偏差在土2“以内，

⑤缺口宽度N无需小于1.6mm.

5.3.4制备疲劳裂纹应按附录B(补充件)所述步骤进行，并应满足下面两点要求。

5.3.4.1裂纹长度a应在0.45-0.56W之间。

5.3.4.2疲劳裂纹在试样表面上的长度应满足图8中注①一④的要求。

.试验程序

8.1

8.2

8.2.1

同一种状态的材料至少做三个试样。

试样测量包括:

B的测量:从疲劳裂纹顶端至试样的无缺口边，沿着预期的裂纹扩展线，至少在三个等间隔

位置上测量厚度B,准确到。.025mm或0.1%B，取其中之较大者。取三次测量的平均值作为Bo

8.22

W的测量:按附录C、D,E、F中各试样的规定测量We

GB4181一创

公2。习

口3,口‘

列要求。

二2.月

8.之。吕

a的测量。试样断裂以后，按图9所示，在B/4,BJ2,

各测量值准确到0.5%0取裂纹长度a=音(8

12+a)+a4)

3B/4的位置上测量裂纹长度812.

计算K,。疲劳裂纹前缘应满足下

:;

812,as,a。中任意两个测量值之差不得大于a的10%,

对于山形缺口〔图8(b)〕，试样表面上的裂纹a,、a，应从山形缺口根部产生‘a,,as与

a之差不得大于10%，且a,、a，之差也不得大于a的10%,

8.2.8.E对于直通形缺口〔图8(a)〕，a,、as与a之差不得大于15%,813、as之差也不得大于

a的10%0

二2.4裂纹面与BW平面平行，偏差在110“以内。

图9裂纹长度的测量位置

8.8加载速率:试样的加载速率户应使应力强度因子速率止工在0.55一2.75MPamar/s(1.77-8.87

呵mm-+/S)范围内。在附录C,D,E,F中给出了与该应力强度因子速率相对应的各试样的加

载速率。

二4试脸记录:调整记录仪的放大比，使记录曲线线性部分的斜率在0.7一1.5之间，最好选在1左

右。并能以士1%的准确度测定负荷几(见7.1条)。试验应记录到试样所能承受的最大载荷后停

止。

6.5断口形貌观察:应注明每个试样的断口形貌特征。常见的断口形貌类型示于图10。对((a)型

或(b)型断口，应在裂纹顶端和试样无缺口边之间测量中心平断口部分的平均宽度f，记下单位厚

度斜断口的比例(B一了)/B,(c)型断口为全斜断口。

GB4161-84

或幽。

"洲。

·翻。

部分料断日大部分斜断口全部科断口

图10常见的断口外貌型式

7试验结果的处理

试验结果按下述步骤处理:

7.1确定P。值，试验中得到的载荷一位移曲线类型如图11所示。过记录曲线的线性段作直线O凡

并通过O点画割线OPs，割线斜率(P/V)，二。.95(P/V)。

以前，记录曲线上每一点的载荷都低于Ps，则取Pa=Ps，

(PiV)。是直线OA的斜率。如果在Ps

如图11中I型曲线，如果在P，以前，还有

一个超过P，的最大载荷，则取此最大载荷为P,，如图11中II、1Q型曲线。

GB4161一助

f认，1A

]场a盆月

/飞二或

力又

。/以

1尸载向

6Y移尸‘

图11载荷一位移记录曲线的基本型式

注:记录曲线的开始部分往往出现轻微的非线性，应予忽略。采用预先加、卸载的方法可以改善记录曲线的非线

性。加、卸载时，最大载荷所对应的应力强度因子不得超过预制疲劳裂纹最后阶段的应力强度因子水平。

7.2计算载荷比P,.../P.,P...为试样所能承受的最大载荷。若P.../凡小于或等于1.10，则可按附

录C,D.E,F中的规定计算相应试样的Kao若Pm。二/P。大于1.10，则该试验不是有效的Ki。试验。

7.3计算2.5(凡加r)=。若该值等于或小于试样厚度B和裂纹长度a，则凡=K,c，否则试验结

果无效。

7.4若试验结果不满足7.2或7.3条的要求，或两者都不满足时，应该用大试样重新测定Kic。试样

尺寸至少应为原试样的1.5倍。

7.8凡不满足7.2或7.3条要求的试验，如果最大载荷是由于裂纹扩展造成的，可按附录C,D,E,

F给出的R，二计算式计算相应试样的试样强度比。

7.6当铝合金的试验结果不满足7.2或7.3条的要求时，可按附录G的补充规定对试验结果进行分析

和处理。

8试验报告

试脸报告应包括:

试样编号、类型、裂纹面取向

材料的原始状态和屈服强度;

a.阮

C.试样厚度B、宽度W,C形试样加载孔的偏置尺寸X、外半径r2和内半径n等.

d.预制疲劳裂纹的条件，包括疲劳裂纹扩展最后阶段，至少在裂纹总长度(缺口加裂纹)2.51,/o

的最后扩展阶段中，所用的最大应力强度因子K!m.，,循环次数N和应力强度因子范围ex,

e.裂纹长度ai、a:,a3,a4,ass

f.试验时的温度和相对退度，

GB4161一助

:.用K;表示的加载速率户，

卜.载荷一位移记录曲线及有关的计算，

t.断口外貌特征，

，.注明Ki。有效的条件Pm。./P。及2.5(瓜/00'值，或瓜不能作为有效K、的原因。对于铝

合金还应注明Ka作为有意义的乎面应变断裂韧度的条件，

七.试样强度比R:二。

最好用表格形式列出上述内容，表2是这种表格的推荐形式。

GB4161-64

级工

中酬招酮书

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山5书暇卿锵翻饭碳猫巡..坦

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GB4161-64

附录A

双悬臂梁夹式引伸计的设计

(补充件)

双悬臂梁夹式引伸计包括两个悬臂梁和一个垫块，用螺钉连接在一起。在每根梁的拉伸面和压缩

面上贴上电阻应变片Ti、Tz，C,、Cz，并连接成桥路，见图to引伸计梁应选用o,/E值高的材

料。可以用固溶处理的13V一11Cr一3A1钦合金。梁和垫块的详细尺寸示于图A.1,A.2。按这些尺

寸加工成的引伸计，其线性范围即工作范围为3.7--7.6mm，推荐标长为5一6.5mm。如果想改变标

长，只需变更垫块的高度另}伸计的情度应满足:位移读数和最小二乘法拟合的直线间的偏差在t0.0025mm

以内。

一七个

nl.zo上o.os

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GS1181一创

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图A2

注:Zx巾2孔是应变片导线引出孔。

GB4161-64

附录B

断裂韧度试样疲劳裂纹的制备

(补充件)

B.1试验设备

B.1.1预制疲劳裂纹用的设备应保证应力在试样厚度方向上均匀分布，并且在预期的裂纹扩展面

两侧对称分布，以保证裂纹前缘均匀向前扩展，且裂纹不偏离预期的扩展方向。

B.I.2试样在所用设备上加载时，其K;标定的误差应不大于5%.Ki标定，指应力强度因子与试

样尺寸、载荷(或某一规定的位移)间的关系式。本试验方法所推荐的试验夹具同样适用于制备疲劳

裂纹。当采用这些夹具时，各类试样的K,标定列于附录C、D,E、F中。

如果采用不同的夹具，则应通过试验确定使用这类夹具时的K,标定。用实验法确定K,标定比用

数值分析法优越，因为前者能准确模拟实验夹具的边界条件。三点弯曲试样最好用与断裂韧性试验相

同的底座预制疲劳裂纹，这样Ki标定比较准。如果在悬臂弯曲反向加载的情况下使用二点弯曲的K;

标定，误差就比较大。而且夹持试样的夹持力的分布对K，标定有影响，当夹持力过大时，裂纹顶端的

应力场会发生畸变并改变疲劳裂纹的走向。

B.2试样

8.2.1试样预制疲劳裂纹时的热处理状态应当与做K,。试验时的热处理状态完全一致。

B.2.2疲劳裂纹引发缺口的形式见图8，缺口根部半径应满足5.3.3款的要求。裂纹长度控制在0.5W

左右，并满足5.3.4款的要求。

B.2.3为了加速疲劳裂纹的引发可以采用下列方法:

B.2.3.1制备非常尖锐的缺口，或采用山形缺口。

B.2.3Z对缺口顶端预先施加压力，使缺口锐化，施加的压力不应使试样强度比小于一to

B.2.3.3采用负值疲劳载荷比，当最大疲劳载荷已定时，负值载荷比的绝对值越大，引发裂纹越快。

但采用负值载荷比时，所用夹具要比正值载荷比时复杂得多。

8.2.4在试样的两个侧面上，垂直于裂纹扩展方向用铅笔或其它工具画两条线，其一与。.5w相对

应，另一条线距缺口较近，与第一条线间的距离应不小于缺口加疲劳裂纹总长度的2.50/a，即0.0125吠

B.3预制盛劳裂纹

B.3.1预制疲劳裂纹时可以采用载荷控制，也可以用位移控制，但K。标定对所用试样及夹具的准

确度应不低于5%。如果循环载荷保持恒定，则最大Ki值和Ki的幅度将随裂纹长度的增加而增加。

若循环位移保持恒定，则最大K，值和K的幅度将随裂纹长度的增加而减少。

B.3.2预裂纹开始时的最大疲劳载荷应使应力强度因子的最大值不超过材料K，二估计值的80%,

疲劳载荷的最低值应使最小载荷与最大载荷之比在一1到。.1之间。

B.3.3试样应准确地放置在加载夹具上，并应保证其边界条件与所使用的K,标定相一致。预制裂

纹时，一般采用正弦波加载，频率多为实际上可以达到的最高频率。在不存在有害介质的情况下，只

要频率不超过JOOHZ就不会对疲劳预裂纹的形成产生明显的影响。预制疲劳裂纹的总循坏周次在101-10,

之间。

B.8.4当疲劳裂纹长大到B.2.4条所画的标线位置时，应当减小最火载荷或位移，使裂纹扩展最后

阶段(即在裂纹总长度最后的2.5%的距离内)，使疲劳循环应力强度因f的最大值Kfm..060Y,Kq,

GB4161一创

并且K了。。二/E<0.00032m少(0.似mm告)，同时调整最小载荷或位移，使载荷比在一1和。.1之间。

然后，继续疲劳循环加载，直到试样两侧面的裂纹痕迹满足本方法5.3.4款及图8的要求为止。

B.55预制疲劳裂纹时，应仔细监侧试样两侧裂纹的萌生情况，若一侧已看到裂纹显著扩展，另一

侧还看不到裂纹，则应停止疲劳加载，找出原因，使两侧裂纹对称扩展。有时将试样调转18。“就可使

两侧裂纹对称发展。

B.a二当在温度T飞制备疲劳裂纹，在温度T:做断裂韧性试验时，应当控制Kjm‘二不超过。.

K。，a，、和。，2分别为材料在温度Tl、T:时的屈服强度。

“嘿)

GB4161-84

附录C

弯曲试样试验的具体要求

(补充件)

C.1试样

C.1.1

C.1.2

___.__‘，，W

你惬弯田试样田1子二2，

」J

名义跨距S=

非标准弯曲试样的1<W/B<4，S=

4W,

4W.

见图C.1。

或W/B二2，S/W二3或5。

咚

土汪田。。?归、

76

}s-万

分}

卜一>2.1W

>,1W月}LB

-w_o.oo}}

州/4-,%u]

图C1弯曲试样SE<B)的标准比例和公差

注:①裂纹引发缺口应垂直于试样表面，偏差在土z℃以内。

②可以采用整体刀口或附加刀口固定夹式引伸计(见图2、图3、图4)。

③引发缺口和疲劳裂纹的形状见图80

C.2试样制备

有关试样尺寸，试样制备的规定见第5章。

C.3设备

C.3.1弯曲试样支座:一般设计原则如图C.2所示。当试样被加载时，支承辊应能转动并稍微向外

移动，以减小摩擦力的影响。试验开始时，应当用低张力弹簧(如橡皮筋)使试样固定住，以便获得

准确的跨距。

C.3.2引伸计:有关引伸计的通用规定见4.2条。对于弯曲试样，只要标长不超过W/2,裂纹嘴

张开位移基本上与标长无关。

CB4151-B4

陈.

州

生头一

s-4(..)

用十固定弹簧

或恤皮9h

阵一，伴州

图C2弯曲试样支座

c.4试验步骤

C.4.1尺寸测量:在缺口附近至少三个位置上测量试样宽度W,准确到。0025mm或0.1%W(取

其大者)，计算平均值。从缺口边到裂纹前缘测裂纹长度a，有关测量的一般要求见6.2条。

C.4.2弯曲试样的试验

C.4.2.1安装试验夹具，使加载线通过跨距的中点，偏差小于跨距的1%，如跨距为100mm，则

偏差应小于1mm,测量跨距，准确到名义长度的0.5%,

C.4.2.:放置试样，使裂纹顶端位于跨距的正中，准确到跨距的1%，同时试样应与支承辊垂直，

偏差在士20以内。并保证支承辊和压头与试样的接触面互相平行，偏差不得大于。.002Wo

C.4.2.5安装引伸计，使刀口与引伸计的凹槽配合好。使用附加刀口时，应先装上引伸计，然后再

拧紧刀口上的定位螺钉·一、

C.4.2.4试样的加载速率应使应力强度因子速率在0.55一2.75MPam`/s(1

.77一8.87kgfmm"i/s)

之间。对于25mm厚，W=28的标准试样，相应的加载速率在0.28--1.43kN/s(29一146kgf/s)之

间。

C.4.2.5有关试验记录的详细规定见6.4条。

C.5计算

C.5.1按7.1条确定PQ。

GB4161-84

C.5.2关于载荷比P.../P。和试样尺寸的有效性条件见7.2,7.3条。

C.5.3计算K,

C.5.3.1标准三点弯曲试样和S/W=4,1<W/B<4的非标准三点弯曲试样的凡按下式率计算，

单位为MPam1(kgfmm-f)

KQ=(P,S/BWI)f(a/W)·····················⋯⋯(C1)

式中:f(斋)

1

3(a/W)'[1.99一(a/W)(1一a/W)x(2.15一3.93a/W+2.7a'/W')]

二一一一‘一一一~一一一一一一一一一一一一一一一飞—一一一~一一一-~一-一一

按7

按6

2(1+2a/W)(1一a/;V)'

1条确定的负荷，kgf;

2.1款测定的试样厚度，MM;

按C.4.2.1款测定的跨距，mm,

按C.4.1条测定的试样宽度，

按6.2.3款测定的裂纹长度，mmImm.

一一一一一

凡Bswa

为便于计算K.，将a/W=0.45一。.55所对应的f(a/W)值列于表C.1

表C.1

弯曲试样的，(命)

子(a1W)a1W子(a/W)

2.290.505

:::

0.465:.;:

a/w一呵仲0460

0.470

2.89

2322.352，392.43

2.46

2.94

:.:::::

:.1:

510515520525530535540545550

琉2.62266

475480485490495500

C.5.3.2

C.5.4

S/W二3,S/W=5的非标准三点弯曲试样的凡按表C.2和表C.3计算。

弯曲试样的试样强度比按下式计算

R,a

6P...甲

刀(W一a)2口，

二(CZ)

式中:P-试样所能承受的最大载荷;

按6.2.1款侧定的试样厚度，

W—按C

按6.

.4.1条测定的试样宽度，

2.3款测定的裂纹长度;

拉伸屈服强度00.2

，C.5.3.1款给出的K,表达式，在a/W从。到1(S/W二4)的整个范围内，准确度在30.5%以内

GB41任1一84

表CZ

5/律二3的三点弯曲试样的于(a/邢)

」

价二(p，5/B珍2)于(a/尸)

a广滓00000.0010，0020，0030.0040.005

0。00600070，0080.009

0.4502242，24

225

2.262卜262272。282.282。29230

04602。302312.322.322.332342342.352‘352.36

0.4702.372382392，屯02，402412.422.422.432.44

0.4802.442452.462.472.482.492。492502.51艺52

0.4902.52253254

I

}

2562，562572.582.59

260

Q.5002.60261262

2.632.642.64255

2.662.67268

0.5102.6927D2.70

2722‘72

2.732742.了52，76277

0.5202.782792.日02.802.822.822，832.84285

286

0.5302872882。89

干

2.902.912.922932.942.952‘96

0.5402972982.993.003.0[3.023033.043.06

306

05503，083‘093卜10

3113.12

3。133143.153.16318

表C3S/邵=5的三点弯曲试样的于(司丫)

」

价=(P;5/B甲『)子(a/甲)

口了甲0.0000.e010.0020.0030.0040.0050.00600070.0080009

0.4502，312.322.322.332.342.342.352.362362.37

04602.382.392.40240

2.412。42242

2432442，44

0.4702，452.4石2472.482482492.502.502512.52

0.480ZrS325该

一1255

2.562.562572582.59

2.60

0.4902.602.612.62263

，

2.642.642。652662，672.68

050日2，692.702.702.712.722.732.了42.742.76276

0.5102772.782792802812.822822.842.84285

052叮〕2。862.872882892.902，912.922932.942，95

05302.962。9729召2993.003.013.023.033.04305

0.5403.06

3.073日8

3卜093103.IL3.工23133.14316

0.55Q3，163183.193。20

阵万一

3223.233.243.263.26

，林

GB4161一创

附录D

紧凑拉伸试样试验的具体要求

(补充件)

标准紧凑拉仲试样的尺寸比例和rQI精度示3`图D.to

非标准紧凑拉伸试样的2<w/B<_4，其它尺寸比例不变。

33

汪比吕昌+l沃公

35

书正{一牛李

r人斗Ir.一-一

d0,sN之氏脚5环

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汪试吕舀书汪甲﹁︸

匹三卫止}-且口

一旧

一一洲

班I_o_oo;甲

二卜于一

21WI1.o1Owup十”,;I

图DL紧凑拉伸试样C(T)的标准比例和公差

注:①引发缺口顶端d距试样七，F表面的距离应相等，

②可以采用整体刀口或附加刀口固定引伸计(见图

③引发缺口和疲劳裂纹的形状参见图ao

偏差不大于0的5w

2，图3、图a)。

D.2试样制备

有关试样尺寸，试样制备的通用规定见第5章。

D.3设备

D.3.1拉伸试验U形钩:紧凑拉伸试样、C形拉伸试样和圆形紧凑拉伸试样所用拉仲试验U形钩

的尺寸相同，如图D.2所示。

D.3.1.1图D.2所示的U形钩适用于W/B二2(B12.7mm)和W/B=4(B<12.7mm)的试

样。若用屈服强度为1930MPa(197kgfmm")的马氏体时效钢制做U形钩和销轴，则它们对5.2.30:

表1推荐的试样尺寸具有足够的强度。如果制造夹头的材料强度较低，或试样f小)大厂相应o,/1"伯

Gs4161-64

推荐的试样尺寸时，夹头必须加厚。对于厚度小于9.5mm的试样，为便于安装引伸计，可如图D.2所

示，将U形钩的角切掉。

D.3.1.2各辅助夹具均应仔细加工，以保证上、下U形钩良好对中。

D.3.2引伸计:有关引伸计的规定见4.2条。对于紧凑拉伸试样，只要标长不超过1.2W,裂纹嘴张

开位移基本上与标长无关。

—一(j

。,W全。005w

11|1‘，

、}//

卜一

川

门2五休土0.005甲

才

一工_。:5、

上_L

斗1宙凶公

0.o25Wn05nW

ppgy

图D2拉伸试验U形钩

注①螺纹D的中心线应当通过0.26W销轴孔的中心，并与加载平面垂直，偏差不得大于0.05-m.

②销轴直径=0.24W9嘿;W。对于。,->1379MPa(141kgfmm-2)的试样，U形钩和试样上的孔径可为

0.3W

士欲默W,销轴直径可为”.289W昭.ooc005Wo

③为便于安装引伸计，必要时可将U形钩的角切掉。

D.4试验步骤

D.4.1尺寸测量，紧凑拉伸试样的宽度甲和裂纹长度a从加载孔中心线量起。可以先从试样缺口边

测量，然后减去缺口边至加载孔中心线的距离。在缺口附近至少三个位置上测量峨准确到。.025mm或

0.1Y.W(取其大者)，记下平均值。有关试样A9a的要求见6.2条。

D.4.2紧凑拉伸试样的试验

D.4.2.1安装U形钩，上、下加载杆中心线偏差在。.76mm以内。试样应位于U形钩的正中，偏差

在0.76mm以内。

GB4161-84

D.4.2.2

紧凑拉伸试样的加载速率应使应力强度因子速率在。.55一2.75MPam2/s(1.77~8.87

kgfmm-1/s)范围内。对于厚25mm,W/B=2的标准试样，相应的加载速率在0.31一1.59kNIs

(32一162kgf/s)之间。

D.4.2.3有关试验记录的详细规定见6.4条。

D.5计算

.5.1按7.1条确定P,。

5.2

D.5.3

关于P-./p。值和试样尺寸的有效性条件见7.2,7.3条。

紧凑拉伸试样的‘按下式。计算，单位为MPam'(kgfmm朽

DD

凡=(P9/BW'})f(a/W).····················⋯⋯(D1)

式中:于

(N,)

(2+a/W)(0.886+4.64a/W一13.32a'/W'+14.72a'/W'一5.6a"/W')

(1一a/砂)i

P甲—

B—

W—

a一

按7.1条确定的负荷，kgf,

按6.2.1款测定的试样厚度，MM;

按D.4.1规定测定的试样宽度，MM;

按6.2.3款测定的裂纹长度，mm

为便于计算，将a/W二0.450一。.550所对应的f

(iv)

紧凑拉伸试样的子

值列于下表。

(M,)

./wf(a/W)!

a1Wf(alw)

0.5059.81

0.5109.96

0.51510.12

0.52010.29

0.52510.45

0.53010.63

0.53510.80

0.54010.98

0.54511.17

0.55011.36

0.4508.34

0.4558.46

0.4608.58

0.4658.70

0.4708.83

0.4758.96

0.4809.09

0.4859.23

0.4909.37

0.4959.51

0.5009.66

D.5.4紧凑拉伸试样的试样强度比按

R-

下式计算

2P...(2邵+a)

B(甲一a)2,,

(D2)

式中:Pma:试样所能承受的最大负荷，

按6.2.1款测定的试样厚度，

W—按D.4.1规定测定的试样宽度，

—按6.2.3款测定的裂纹长度;

—拉伸屈服强度。。.:。

*D.5.3条给出的K,表达式在可W从0.2一1的整个范围内，准确度在10.5%以内。

GB4161一创

附录E

C形拉伸试样试验的具体要求

(补充件)

E.1试样

E.1.1W/B二2的两种标准C形拉伸试样的常用比例示于图E.1。对r,/r,未加限制，但;、，:=0

的实心圆柱体应采用圆形紧凑拉伸试样(见附录F)。C形拉伸试样只适用于空心圆柱休。

E.1.2C形拉伸试样只能测定C一R取向(即裂纹面的法线是圆周方向，裂纹扩展方向是径向》

的断裂韧度。其它取向，应采用弯曲(附录C)或紧凑拉伸试样(附录D)。

E.1.3比值X/W=0.5的C形拉伸试样〔见图E.1(a)〕是个半环形，比值X/W二。的C形拉伸

试样〔见图E.1(b)〕是从圆环上所能截取的最小尺寸的C形拉伸试样。

E.1.4非标准C形拉伸试样的2<W/B<4，但其它尺寸的比例不变。C形拉伸试样选用非标准

试样更方便，因为这时对内径和外径都不用加工。

25环，士们

005甲

蔽

.|一曰

斗

刀二n5a阳

汪岁N

(a)X/W=O.

(b)X/甲二

图E工C形拉伸试样A(T)的标准比例和公差

注:①引发缺口和疲劳裂纹的形状参见图8。

②用尖头引仲计A帅口载点位移的参考点。见E.3.2.1款。

③加载孔的轴线应当和内径相切，偏差不大于。.005W.

GB4161一时

E之试样制备

有关试样尺寸和试样制备的规定见第5章。

E.3设备

E.S.1拉伸试验U形钩:见D.3.1条。

E.S.2引伸计:有关引伸计的规定见4.2条。

E.3.2.1对于X/W二0.5的C形拉伸试样，可以采用另外一种方法测量位移，如图E.1(a)所示。

在两个加载孔中心线所在平面与试样的，，内圆面交线的中点处，制备两个圆锥形压痕，把带尖的引伸

计插人压痕中即可测量加载点间的位移。所用引伸计应满足4.2条的要求。

E_8.2.2

____....‘.、。、__一._，_W_..‘.__._.‘__J二_，，、

x1卞L拉伸试TT},只rc标长凡了，装纹嘴5Cc汁位裕量不上与*r}z尤关。

E.4试验步骤

E.4.1尺寸测量

E.4.1.1甲的测量:紧靠裂纹引发缺曰的两侧，在厚度的中点处测量(;:一r)，准确到0.025mm

或。.1%W(取其大者)，记下这两个数的平均值作为W。此外，还应该在另外四个位置上(即在图E.2

中的1、2、3,4点)测量(r:一r)，其中两个尽可能地接近加载孔，另两个近似在裂纹面和加

载孔之间的圆弧的中点处。若这四个测量值中有一个和W之差大于10%,该试样应作废或重新加Eo

E.4.1.2X的侧量:如图E.2所示，在试样的两面测量距离d,准确到。.025mm或1%d,取其中

之较大者。用这两个测量结果的平均值减去甲，其差值记为Xo

E.4.1.3测量外半径r2，准确到5%以内。若不能直接测量，可按图E.3侧量两个加载孔中心线处

的外圆弦长L，准确到5%以内。用该测量值按下式计算r，的平均值(见本款注)

L}(W+X)

g(W+X)

甲

十—

2

(E1)

r,二1

产2r,

往:''Sa/W不小于。.3,ILI,/',值的变化量不超过10%时，对应力强度因子的影响不大丁1%。但如果坯块的

轴对称性偏差大于to，应该重新加工至该公差以内。

E.4.1.4裂纹长度的测量:试样断裂后，按6.2.3款规定测裂纹长度。由于试样为弧形，故对C形

拉伸试样裂纹长度的测量有如下附加规定。如图E.3所示，裂纹长度a=m一e，，为测量参考点至裂

纹前缘的距离。e二，一a，是裂纹长度测量值与实际裂纹长度之差。‘值可以从下式求出

B之-t，r。、

e=r‘一Lrr一丁」’‘”’‘”’‘’.””‘’‘’‘””‘’“‘”·‘”以夕

式中:g裂纹嘴两侧的两个参考点之间的距离。

在用机械加工的刀口固定引伸计时，s可能等于缺口宽度N

6.4mm)。若相对误差elm<o.01，则取，值为裂纹长度，否则，

长度。

(见图a)或大于N(#1[l图2,B=

应从二中减去e,其差值记为裂纹

Gs4161一创

图E2

E-4x

图E3C形拉伸试样外半径r,和裂纹长度的测量

E.4.2C形拉伸试样的试验

E.4.2.1安装U形钩，上、下加载杆中心线偏差在。.76mm以内。试样应位于U形钩的正中，偏差

在D.76mm以内。

GB4181-84

E.4.

kgfmm

a.

b.

2.2C形拉伸试样的加载速率应使应力强度因子速率在0.55-275MPam'/s(1.77~8.87

$/s)范围内。对于25mm厚，WIB二2的标准试样，相应的加载速率为:

对X/W

对X/W

0.5的试样，P在0.20-0.97kN/s(20一99kgf/s)之I'als

0的试样，P在0.32一1.57kN/s(32~160kgf/s)之间。

E.4.2.3有关试验记录的详细规定见6.4条。

E.5计算

E.5.1

E.5.2

E.5.3

按7.1条确定Pq。

关于Pm.,/Pq值和试样尺寸的有效性条件见7.2,7.3条。

C形拉伸试样的K。按下式，计算，单位为MPamg(kgfmm_f)

Kq=(Pq/BWI)〔3X/W+1.9+l.la/W]

x〔1+0.25(1一a/W)z(1一r,/r,)〕f(a/W)-·一(E3)

式中:f(a/W)=[(a/W户/(1一。/W俘]x[3.74一6.30a/W+6.32(a/W)，一2.43(。W)37

Pq—按7.1条确定的负荷，kgf;

B—按6.2.1款测定的试样厚度，mm;

X—按E.4.1.2款测定的加载孔偏置尺寸，mm;

W—按E.4.1.1款测定的试样宽度，MM;

a—按6.2.3款及E.4.1.4款测定的裂纹长度，MM;

r/::—按E

为便于计算Kq

.4.1.3款测定的内外半径比。

，将a/W=0.450一0.550所对应的

C形拉伸试样的子

壬(W，列于下表·

‘命，

子(alw)

aiw

于(a少W)

3.23

3.27

3.32

3.37

3.42

3.47

3.52

3.57

3.62

3.68

3.73

:.;:

391397

03切

4.17

4.38

5051M兄能53犯545455

们n几0~UnncU自UO

秘一仲04550460份衍047504800485默

0.500

。对所有的，./r2值，E.5.3条给出的尤。表达式的推确度如下:

对于。.

对于0.

45戈--<O.55.X/W

1和X/W二

二。或0.5,准确度为士1%。

。或0.5,准确度为11.5%

对于0.2<

1和0<X/W喊1，准确度为步3%。

CB4161一翻

E.5.4C形拉伸试样的试样强度比按下式计算

R..二

2Pm。二(3X+2甲+a)

B(W一。)i1,

(E4)

式中:Pm。二—试样所能承受的最大载荷s

B—按6.2.1款测定的试样厚度:

X—按E.4.1.2款测定的加载孔偏置尺寸s

W—按E.4.1.1款测定的试样宽度;

a—按6.2.3款及E.4.1.4款测定的裂纹长度，

口，—拉伸屈服强度口。.2。

GB4161一砚

附录F

圆形紧凑拉伸试样试验的具体要求

(补充件)

试样

.1W/B二2的标准圆形紧凑拉伸试样的尺寸比例示于图F,to

1.2非标准圆形紧凑拉伸试样的:<W<4，但其它尺寸比例不变。

万

IFF

城咖25W士0.005W

i3

注③

.~.曰碑代

-口....~-

甲士0

:一

一{l

鳃非护

汪试0目0引迁试卜9

分坦Q

1|下

愁比00己们汪诀卜9占

上___

0,26W015W

7-7-

。一一{{1丁

0.2,{V.a

Olow

图F1圆形紧凑拉伸试样DC(T)的标准比例和公差

注:①裂纹引发缺口顶端与试样两个表面的交点d距加载孔中心线的距离应相等，偏差不大于0.005Wa

②可以采用整体刀口或附加刀口固定引伸计(见图2.图3、图4),

③引发缺口和疲劳裂纹的形状见图8,

④圆度要求见F.4.1.10

F.Y试样制备

有关试样尺寸和试样制备的规定见第5章。

F.3设备

F.B.1拉伸试验U形钩:见D.3.1条。

GB4161-64

F.3.2引伸计:有关引伸计的规定见4.2条。对于圆形紧凑拉伸试样，只要标长不超过。.55W,位

移基本上与标长无关。

F.4试验步骤

FAA尺寸测量，对于圆形紧凑拉伸试样，除测量试样宽度和裂纹长度外，还需测量试样的圆度。

F.4.1.1加工试样之前，应检验试样毛坯的圆度。在试样毛坯圆周的八等分点t测量半径，其中

个测量点应位于预期的缺口平面内。求这些测量结果的平均值，记为半径;。若任意测量值与，之差大

于5%，应将毛坯加工到所要求的圆度。并要求D=2，=1.35W.

F二1之以加载孔中心线为基准，侧量宽度W和裂纹长度a(试样的缺口边可以作为买际测量时的

参考线，但为测量W和a，还必须减掉加载孔中心线到缺口边的距离)。在靠近缺口至少三个点卜测量

W,准确到。.025mm或0.1%W(取其大者)，记下平均值。

F.4.1,3有关试样测量的一般要求参见6.2条。

F.4.2圆形紧凑拉伸试样的试验

F.4.2.1安装U形钩，上、下加载杆中心线偏差在0.76mm以内，试样应位于U形钩的正中，偏差

在0.76mm以内。

F.4.2.2圆形紧凑拉伸试样的加载速率应使应力强度因子速率在。.55一2.75MPamI2.75MPam'/，(1.77-

8.87kgfmm-幻s)范围内。对于B二25mm,W/B二2的标准试样，相应的加载速率为0.30^-1.49

KN/s(31~152kgf/s)之间。

F.4.2.:有关试验记录的详细规定见6.4条。

F.肠计算

F.5.1按7.1条确定PQ。

F.S.2关于Pm..JP;值和试样尺寸的有效性条件见7.2,7.3条。

F.5.3圆形紧凑拉伸试样的K。按下式，计算，单立为MPaml(k梦mm一i)

K。二(P,law=)f(a/W).···...........··....⋯⋯(F1)

式中:

(2+a/W)[0.76+4.8(a/W)一11.58(a/W)z+11.43(a/W)’一4.08(a/W)0]

(1一a/W)r

按7.1条确定的负荷，kgf;

按6.

按F

2.1款测定的试样厚度，mm;

.4.1.2款测定的试样宽度，MM;

按6.2.3款及F.4.1.2款测定的裂纹长度，mm,

一一一一

为便于计算K,，将a/W=0.450-0.550所对应的f(a/W)值列于下表。

*F.5.3条给出的K。表达式在a1