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| 标准编号 | GB/T 4161-2007 (GB/T4161-2007) | | 中文名称 | 金属材料 平面应变断裂韧度KIC试验方法 | | 英文名称 | Metallic materials. Determination of plane-strain fracture toughness | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | H22 | | 国际标准分类 | 77.040.10 | | 字数估计 | 23,282 | | 发布日期 | 2007-09-11 | | 实施日期 | 2008-02-01 | | 旧标准 (被替代) | GB/T 4161-1984 | | 采用标准 | ISO 12737-2005, MOD | | 起草单位 | 钢铁研究总院、国营红岗机械厂、武汉钢铁公司、宝山钢铁股份有限公司 | | 归口单位 | 全国钢标准化技术委员会 | | 标准依据 | 中国国家标准批准发布公告2007年第11号(总第111号) | | 提出机构 | 中国钢铁工业协会 | | 发布机构 | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会 | | 范围 | 本标准规定了缺口预制疲劳裂纹试样在承受缓慢增加裂纹位移力时测定均匀金属材料平面应变断裂韧度的方法。 | GB/T 4161-2007
ICS ７７．０４０．１０
H２２
中华人民共和国国家标准
GB/T ４１６１-２００７
代替GB/T ４１６１-１９８４
金属材料
平面应变断裂韧度KⅠC试验方法
（ISO １２７３７：２００５，ＭＯＤ）
２００７-０９-１１发布
２００８-０２-０１实施
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会发布
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
３．１ 张开型（Ⅰ型）应力强度因子 １
３．２ 平面应变断裂韧度 １
３．３ 裂纹平面取向 １
３．４ 缺口张开位移 ２
４ 符号和名称 ２
５ 试验原理 ３
６ 设备 ４
６．１ 试验机和力值测量 ４
６．２ 疲劳裂纹的预制 ４
６．３ 引伸计 ４
６．４ 试验夹具 ４
７ 试样的尺寸、形状和制备 ５
７．１ 试样尺寸 ５
７．２ 推荐试样的比例尺寸 ５
７．３ 试样的准备与疲劳预裂纹 ５
８ 试验程序 ６
８．１ 试样测量 ６
８．２ 试样的试验温度 ６
８．３ 弯曲试样的支座测量 ６
８．４ 断口形貌观察 ６
９ 试验步骤 ６
１０ 试验结果的计算与解释 ６
１１ 试验报告 ７
附录Ａ（规范性附录） 断裂韧度KⅠＣ试样疲劳裂纹的预制 ９
附录Ｂ（规范性附录） 弯曲试样试验 １０
附录Ｃ（规范性附录） 紧凑拉伸试样试验 １１
附录Ｄ（资料性附录） 试验夹具 １３
附录Ｅ（资料性附录） Ｃ形拉伸试样试验 １５
附录Ｆ（资料性附录） 圆形紧凑拉伸试样试验 １８
GB/T ４１６１-２００７
前言
本标准修改采用国际标准ISO １２７３７：２００５《金属材料 平面应变断裂韧度 KⅠＣ试验方法》
（英文版）。
本标准根据ISO １２７３７：２００５重新起草。本标准结构和技术内容与ISO １２７３７：２００５基本一致，根
据我国情况做了如下修改：
---删去国际标准的前言；
---“本国际标准”一词改为“本标准”；
---用小数点“．”代替作为小数点的“，”；
---在“规范性引用文件”中，引用了与国际标准相对应的我国国家标准；
---在７．１中将试样尺寸的有效性条件由文字描述改为公式（１）、公式（２）和公式（３）；
---增加了８．４断口形貌观察；
---在第１０章增加了KⅠＣ试验结果数值的修约要求；
---增加了附录Ｅ（资料性附录）Ｃ形拉伸试样试验；
---增加了附录Ｆ（资料性附录）圆形紧凑拉伸试样试验。
本标准代替GB/T ４１６１-１９８４《金属材料平面应变断裂韧度KⅠＣ试验方法》，与原标准相比主要变
化如下：
---增加了规范性引用文件；
---增加“原理”一章；
---增加了性能测定结果数值修约；
---增加了高低温环境下的断裂韧度试验。
本标准的附录Ａ、附录Ｂ和附录Ｃ为规范性附录。
本标准的附录Ｄ、附录Ｅ和附录Ｆ为资料性附录。
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归口。
本标准起草单位：钢铁研究总院、国营红岗机械厂、武汉钢铁公司、宝山钢铁股份有限公司。
本标准起草人：高怡斐、刘涛、青映德、李荣峰、丁富连、王春旭。
本标准于１９８４年首次发布。
GB/T ４１６１-２００７
金属材料
平面应变断裂韧度KⅠC试验方法
１ 范围
本标准规定了缺口预制疲劳裂纹试样在承受缓慢增加裂纹位移力时测定均匀金属材料平面应变断
裂韧度的方法。
２ 规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有
的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究
是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
GB/T ８１７０ 数值修约规则
GB/T １２１６０ 单轴试验用引伸计的标定（GB/T １２１６０-２００２，idt ISO ９５１３：１９９９）
GB/T １６８２５．１ 静力单轴试验机的检验 第１部分：拉力和（或）压力试验机测力系统的检验与校
准（GB/T １６８２５．１-２００２，idt ISO ７５００-１：１９９９）
GB/T ２０８３２ 金属材料 试样轴线相对于产品织构的标识（GB/T ２０８３２-２００７，ISO ３７８５-
２００６，ＩＤＴ）
３ 术语和定义
下列术语和定义适用于本标准。
３．１
KⅠ
表征了在承受张开型（Ⅰ型）加载的裂纹尖端线弹性应力场的大小。
注：它是施加的力、试样尺寸、几何形状和裂纹长度的函数。量纲为力×长度-３／２。
３．２
KⅠＣ
按照本方法的操作程序来测定，在裂纹尖端附近的应力状态处于平面应变状态，且裂纹尖端塑性变
形受到约束时，材料对裂纹扩展的抗力。
注：KⅠＣ是在塑性变形受到严重约束以增加力的情况下产生裂纹扩展时的KⅠ的临界值。
３．３
一种叙述裂纹扩展平面和方向与产品的特定方向相关的方法。
注：在描述垂直于裂纹平面的方向时要用连字符连接的符号表示，连字符前面的符号代表裂纹平面的法线方向，连
字符后面的符号表示预期的裂纹扩展方向（见图１）。对于锻造金属，通常用字母X表示产品的主要变形（最大
晶粒流动）方向，用字母Y 表示最小变形方向，用字母Z表示X-Y 平面的第三正交方向。如果试样的方向与产
品的特征晶粒流动方向不一致时，用三个字母标记裂纹面的法向方向和预期的裂纹扩展方向（见图１（ｂ））。如
GB/T ４１６１-２００７
果没有晶粒流动方向（如铸造材料），参考轴可以任意指定，但应清晰标明。
３．４
在缺口嘴附近测量到的张开位移。
ａ） 与晶粒流动方向一致 ｂ） 与晶粒流动方向不一致
ｃ） 径向晶粒流动，轴向加工方向 ｄ） 轴向晶粒流动，径向加工方向
ａ 晶粒流动。
图１ 裂纹平面的标记
４ 符号和名称
本标准采用下列符号和名称（也可见图１、图２和图４）。
表１
符号 单位 名 称
犪 ｍｍ 裂纹长度
B ｍｍ 试样厚度
E ＭＰａ 杨氏模量
F ｋＮ 施加的力
FＱ ｋＮ 特定的力值（见图４）
F５ ｋＮ 特定的力值（见图４）
GB/T ４１６１-２００７
表１（续）
符号 单位 名 称
Kｆ ＭＰａｍ１／２ａ 预制疲劳裂纹时的最大应力强度因子
KＱ ＭＰａｍ１／２ KⅠＣ的条件值
KⅠ ＭＰａｍ１／２ 张开型应力强度因子
KⅠＣ ＭＰａｍ１／２ KⅠ的临界值（平面应变断裂韧度）
R - 预制疲劳裂纹时任一循环的最小力与最大力之比
Rｐ０．２ ＭＰａ 规定非比例延伸强度
S ｍｍ 弯曲试样跨距
犞 ｍｍ 缺口张开位移
W ｍｍ 弯曲试样的宽度或紧凑拉伸试样的有效宽度
ΔKⅠ ＭＰａｍ１／２ 预制疲劳裂纹时任一循环的最大应力强度因子与最小应力强度因子之差
ａ ０．０３１６ＭＰａｍ１／２＝１Ｎｍｍ-３／２＝０．０３１６ＭＮｍ-３／２。
５ 试验原理
本方法使用预制疲劳裂纹试样通过增加力来测定金属材料的断裂韧度（KⅠＣ），详细的试样尺寸和
试验步骤分别由附录Ｂ和附录Ｃ给出。力与缺口张开位移可以自动记录，也可以将数据储存到计算
机。根据对试验记录的线性部分规定的偏离来确定２％最大表观裂纹扩展量所对应的力。如果认为试
验确实可靠，KⅠＣ值就可以根据这个力计算。
KⅠＣ表征了在严格拉伸力约束下有尖裂纹存在时材料的断裂抗力。这时：
ａ） 裂纹尖端附近的应力状态接近于平面应变状态。
ｂ） 裂纹尖端塑性区的尺寸比裂纹尺寸、试样厚度和裂纹前沿的韧带尺寸要足够小。
KⅠＣ值通常情况下代表了试验温度下断裂韧度的下限值。
KⅠ值小于KⅠＣ值时，循环力或持久力可引起裂纹扩展。在循环力或持久力下，裂纹扩展将由于腐
蚀介质的存在而加快。因此，应用KⅠＣ于服役部件设计时，应当考虑实验室试验条件与现场条件之间
可能存在的差异。
对于平面应变断裂韧度试验，不可能预先保证在特定试验中一定能测出有效KⅠＣ。
ａ） 直通形缺口 ｂ） 山形缺口 ｃ） 包迹
注１：裂纹起始缺口应垂直于试样表面，偏差在±２°以内，缺口宽度应在０．１W 以内，但不应小于１．６ｍｍ。
注２：对于直通形缺口试样，建议缺口根部半径最大为０．１ｍｍ，切口尖端角度最大为９０°。每个表面上的最大疲劳
裂纹扩展量至少应为０．０２５W 或１．３ｍｍ，取其较大者。
注３：对于山形缺口试样，建议缺口根部半径最大为０．０２５ｍｍ，切口尖端角度最大为９０°，A＝C，偏差应在０．０１W
以内。疲劳裂纹应在试样的两个表面上都出现。
图２ 裂纹起始缺口与最大允许缺口／裂纹包迹
GB/T ４１６１-２００７
６ 设备
６．１ 试验机和力值测量
试验机应按GB/T １６８２５．１进行校验，并应不低于１级。试验机应备有自动记录施加于试样上力
的装置。为了以后分析，也可以选用计算机数据存储系统记录力和位移量。允许力传感器与记录系统
组合，以便能从试验图上以±１％的精度测定力FＱ。（见第１０章）。
６．２ 疲劳裂纹的预制
如可能，应按GB/T １６８２５对疲劳试验机和力记录装置做至少２级静态标定。如试验机不能做静
态标定，则施加力的误差应不大于±２．５％。试样与试验装置的同轴性是保证直疲劳裂纹的必要条件。
试验装置的安装应使整个试样厚度上的应力分布是均匀的，以及沿预期的裂纹平面应力分布是对称的。
６．３ 引伸计
引伸计的输出应显示缺口嘴两侧精确定位的相对位移。引伸计和刀口的设计应使引伸计与刀口之
间的接触点可以自由转动。
引伸计的标定应按照GB/T １２１６０的规定进行，并且准确度等级不应低于１级。在使用引伸计期
间至少每周校准一次。最大校验周期应依使用频率和双方协议而定。
引伸计的校准应在试验温度±５℃范围之内进行。引伸计应当在位移小于０．３ｍｍ 时准确到
±０．００３ｍｍ，而之后的准确度达到±１％。
因为测量的只是引伸计位移的相对变化，所以不必测定引伸计的绝对位移值。
６．４ 试验夹具
弯曲试验应用专门设计的夹具来完成。弯曲试验夹具的设计原则为：当试样加荷时，支撑辊能够转
动和轻微地移动，因而保持滚动接触，这样可减少摩擦影响。适合弯曲试样的夹具设计如图Ｄ．１所示。
紧凑拉伸试样试验的加荷Ｕ形钩如图Ｄ．２所示。
ａ） 整体刀口 ｂ） 附加刀口
注１：２狔加上固紧螺钉的直径应不大于W／２，如果将刀口紧贴在试样上，那么，２狔应与连接物端点间的距离一致。
注２：刀口应与试样表面成直角，且平行度偏差为±０．５°。
图３ 刀口详细示意图
GB/T ４１６１-２００７
７ 试样的尺寸、形状和制备
７．１ 试样尺寸
按照本方法，只有试样厚度（B）和裂纹长度（犪）以及韧带尺寸（W-犪）均满足公式（１）、公式（２）和公
式（３）时，试验结果才认为是有效的。由于不能提前保证满足这种要求，因此，最初试验采用的试样尺寸
应该是保守的。如果材料的形状不能同时满足公式（１）、公式（２）和公式（３）的要求时，则不能按照本方
法进行有效的KⅠＣ测定。
B≥２．５（KⅠＣ／Rｐ０．２）２ （１）
犪≥２．５（KⅠＣ／Rｐ０．２）２ （２）
W -犪≥２．５（KⅠＣ／Rｐ０．２）２ （３）
７．２ 推荐试样的比例尺寸
７．２．１ 推荐试样
推荐试样如图Ｂ．１和Ｃ．１所示。宽度（W）通常是厚度（B）的两倍。裂纹长度在０．４５W～０．５５W
之间。
７．２．２ 选择试样的比例尺寸
在某些情况下可能要采用比值W／B不等于２的试样，因此，允许选择试样的比例尺寸（见附录Ｂ
或附录Ｃ）。这些所选择的比例试样应有与推荐试样相同的裂纹长度与宽度之比值。
７．２．３ 选择试样的形状
先经过协商来选择试样的形状，与此有关的分析方法，可以采用ISO 成员国认可的KⅠＣ试验国家
标准，包括沿用J积分或ＣＴＯＤ性能测定KⅠＣ的这些标准。Ｃ形拉伸试样和圆形紧凑拉伸试样也可以
使用，详见附录Ｅ和附录Ｆ。
７．２．４ 疲劳裂纹起始缺口
两种疲劳裂纹起始缺口形状分别如图２ａ和图２ｂ所示。建议直通形Ｖ形缺口的根部半径应不大
于０．１ｍｍ。如果采用山形缺口，缺口根部半径应不大于０．２５ｍｍ。缺口制备方法可以自由决定。起
始缺口（包括疲劳裂纹）须位于如图２ｃ（见附录Ａ）所示的包迹线内。
两种安装引伸计的刀口如图３所示。
７．３ 试样的准备与疲劳预裂纹
７．３．１ 材料条件
所有试样要在完成最终热处理、机加工和试验环境温度调节之后才能进行试验。通常也可以在最
终状态加工试样。然而，对不能以最终状态加工的材料，也可以在加工成所需要的试样尺寸后再进行最
终处理。但试样的尺寸公差、形状和表面粗糙度应满足要求（见图Ｂ．１和Ｃ．１）。热处理例如钢的水淬
等冶金条件对试样尺寸可能有影响。
７．３．２ 裂纹平面取向
材料的断裂韧度通常取决于与金属加工、晶粒流动的主方向或与产品组织相关的裂纹扩展的取向。
裂纹平面的取向应在加工成试样之前决定（见７．３．３），与规定的坐标系一致（见３．３），并做好标记（见第
１１章）。
７．３．３ 机加工
试样的尺寸、形状、尺寸公差和表面粗糙度分别见图Ｂ．１和图Ｃ．１。
７．３．４ 疲劳预裂纹
疲劳预裂纹通常是用经过最终热处理、机加工或环境温度调节后可以投入试验的试样在室温下进
行。不同的疲劳预裂纹温度和疲劳预裂纹与试验之间热的／机械的／环境处理只是在模拟特殊结构的应
用条件时才采用这种必要处理，且要求试样的尺寸、形状以及尺寸公差要保持不变。这样的疲劳预裂纹
应按附录Ａ的要求完成。
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８ 试验程序
８．１ 试样测量
沿着预期的裂纹扩展线，至少在３个等间隔位置上测量厚度（B），准确到０．０２５ｍｍ或０．１％，以较
大者为准。取这３次测量的平均值作为厚度。
在靠近缺口处至少３个点测量宽度（W），准确到０．０２５ｍｍ或０．１％，以较大者为准。取这３次测
量的平均值作为宽度W。对紧凑拉伸试样，以加荷中心孔线所在的平面为起点测量宽度。
试样断裂后，在B／２、B／４和３B／４的位置上测量裂纹长度（犪），准确到０．０５ｍｍ或０．５％，取其大
者。取３个位置测量的平均值作为裂纹长度。３个裂纹长度值的任意２个的差值应不超过平均值
的１０％。
对直通形起始缺口，裂纹前缘的任何部位到起始缺口的最小距离均不应小于１．３ｍｍ或０．０２５W
以较大者为准。试样表面的裂纹长度也要测量。两个表面上裂纹长度的测量值与平均裂纹长度之差均
不应大于１５％，且这两个表面测量值之差不应超过平均裂纹长度的１０％。对于山形缺口，疲劳裂纹应
从试样两个表面的山形缺口产生，两个表面上裂纹长度的测量值与平均裂纹长度之差不应超过平均裂
纹长度的１０％。
试样断裂后，裂纹面与起始缺口面平行，偏差在±１０°以内，且没有明显的多条裂纹（多于一条裂纹）。
８．２ 试样的试验温度
非室温条件下的断裂韧度试验，应该控制和记录试样试验温度，控温精度±２℃。为了达到此目的，
可以借助热电偶或铂电阻，并将其与试样裂纹尖端５ｍｍ以内的区域接触。试验应当在就近合适的低
温或高温介质中进行。在液体介质中进行试验之前，在试样表面达到试验温度之后，在冷却液中试样按
至少每毫米厚度保持３０ｓ确定。当使用气体介质时，浸泡时间按每毫米厚度至少６０ｓ来确定。在试验
温度下的最少浸泡时间为１５ｍｉｎ。试样温度在整个试验过程要保持在名义试验温度的±２℃之内，并
且应按照１１章ｄ条的要求记录。
８．３ 弯曲试样的支座测量
弯曲试样支座成一线，以使加载线通过两个支撑轨中心距的中点，偏差在两个支撑轨中心距（S）的
１％以内。同时，试样应与支撑轨垂直，偏差在±２°以内。测量跨距（S），准确到公称长度的±０．５％。
８．４ 断口形貌观察
应注明每个试样的断口形貌特征，典型断口的形貌如图５所示。对（ａ）型或（ｂ）型断口，应在裂纹顶
（ｃ）型断口为全斜断口。
９ 试验步骤
如果采用记录仪，应调整好记录仪的放大比例，使记录的力-位移曲线线性部分的斜率在０．８５～
１．１５之间。如果选择计算机数据采集系统，必须编制程序采集足够的数据按照第１０章计算。两种情况
下，都必须满足６．１的要求。
试样加载速率应该使应力强度因子增加的速率在０．５ＭＰａｍ１／２／ｓ～３．０ＭＰａｍ１／２／ｓ范围内。试验
一直进行到试样所受力不再增加为止。标记和记录下最大力（Fｍａｘ）。
１０ 试验结果的计算与解释
如果采用记录仪，确定条件值FＱ 的方法如下：在试验记录上，通过原点画一条斜率为（F／犞）５＝
０．９５（F／犞）０的割线OF５（见图４），其中（F／犞）０ 是记录的线性部分切线OA的斜率。然后按下面的方法
确定力FＱ，如果在F５ 之前，记录曲线上每一个点的力均低于F５（Ⅰ型），则取FＱ＝F５；然而，如果在F５
之前还有一个最大力超过F５（Ⅱ型或Ⅲ型），则取这个最大力为FＱ。
如果采用计算机数据采集系统，和上面一样，通过数据缩减程序可确定相同的力（FＱ 和Fｍａｘ）。具
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体算法可由用户来决定。
计算比值Fｍａｘ／FＱ，其中Fｍａｘ为最大力。如果该比值不超过１．１０，则可按附录Ｂ或附录Ｃ中的规定
计算KＱ，若比值大于１．１０，则该试验不是有效KⅠＣ试验。计算２．５（KＱ／Rｐ０．２）２，若这个值小于试样厚
度、裂纹长度和韧带尺寸，则KＱ 等于KⅠＣ，否则，该项试验不是有效的KⅠＣ试验。
平面应变断裂韧度KⅠＣ试验结果应保留三位有效数字。
１１ 试验报告
试验报告至少应包括以下内容：
ａ） 本标准编号；
ｂ） 材料特性和被测产品类型；
ｃ） 规定非比例延伸强度Rｐ０．２；
ｄ） 试验和预制疲劳裂纹的温度和环境；
ｅ） 试样类型；
ｆ） 裂纹平面取向（见图１）；
ｇ） 每个试样的测量性能和结果应包括：
---力-位移记录曲线；
---试样宽度（W），厚度（B）；
---在裂纹总长度（缺口加裂纹扩展）２．５％的最后阶段的最大疲劳应力强度因子Kｆ和裂纹
扩展等于２．５％时的应力强度因子范围（ΔKⅠ）；
---平均裂纹长度（犪）；
---力的比值Fｍａｘ／FＱ；
---平面应变断裂韧度KⅠＣ。
图４ 典型的力-位移记录曲线
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部分斜断口 大部分斜断口 全部斜断口
图５ 典型的断口形貌
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附 录 A
（规范性附录）
断裂韧度KⅠC试样疲劳裂纹的预制
疲劳预裂纹的目标是不受预制过程的任何影响产生一个尖裂纹。完成这个目标的要求如下：
A．１ 夹具
最好用与断裂韧性试验相同的夹具预制疲劳裂纹，如果采用其他夹具，应进行KⅠ标定，KⅠ标定的
误差应不大于５％。
A．２ 试样要求
疲劳预裂纹按７．３进行。为了在低应力强度因子水平下制备疲劳裂纹，试样缺口根部半径应符合
７．２．４的规定。
A．３ 预制疲劳裂纹的步骤
预制疲劳裂纹时可以采用力控制，也可以采用位移控制。最小循环应力与最大循环应力之比（R）
应不超过０．１，如果KＱ 值和有效的KⅠＣ结果相等的话，那么，预制疲劳裂纹时的最大应力强度因子应
不超过后面试验确定的KＱ 值的８０％。对疲劳预裂纹的最后阶段（裂纹长度犪的２．５％），Kｆ应不超过
KＱ 值的６０％。若疲劳预裂纹和断裂试验在不同的温度下进行，Kｆ应不超过０．６［（Rｐ０．２）ｐ／（Rｐ０．２）ｔ］KＱ，
其中（Rｐ０．２）ｐ和（Rｐ０．２）ｔ分别为预制疲劳裂纹温度下和试验温度下的规定非比例延伸强度Rｐ０．２。
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附 录 B
（规范性附录）
弯曲试样试验
B．１ 试样
标准弯曲试样是三点弯曲加力条件下具......
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