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| 标准编号 | GB/T 46614-2025 (GB/T46614-2025) | | 中文名称 | 金属材料 仪器化压入试验 断裂韧度的测定 | | 英文名称 | Metallic materials - Instrumented indentation test - Determination of 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 | 18,190 | | 发布日期 | 2025-10-31 | | 实施日期 | 2026-05-01 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会 | GB/T 46614-2025: 金属材料 仪器化压入试验 断裂韧度的测定
ICS 77.040.10
CCSH22
中华人民共和国国家标准
金属材料 仪器化压入试验
断裂韧度的测定
2025-10-31发布
2026-05-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 发 布
目次
前言 Ⅲ
引言 Ⅳ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 符号和说明 2
5 原理 3
6 试验机 3
7 试样 4
8 试验程序 4
9 试验结果的不确定度 7
10 试验报告 7
附录A(资料性) 试验结果的不确定度评定 8
参考文献 10
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:山东大学、山东省特种设备检验研究院集团有限公司、东南大学、中国石油集团工
程材料研究院有限公司、国家能源集团新能源技术研究院有限公司、中国石油大学(华东)、冶金工业信
息标准研究院、江苏省特种设备安全监督检验研究院、苏州热工研究院有限公司、宁波工程学院、宝山钢
铁股份有限公司、安科工程技术研究院(北京)有限公司、惠州检微科技有限公司、成都海光核电技术服
务有限公司、山东省安泰化工压力容器检验中心有限公司、洛阳船舶材料研究所(中国船舶集团有限公
司第七二五研究所)。
本文件主要起草人:王威强、张泰瑞、宋明大、王钧雷、葛志强、高雄雄、杜晋峰、蒋文春、侯慧宁、
余丰、方健、陈明亚、蒋作文、杨滨、杜卓同、张号、王修云、苟渊、赵万祥、李建勋、程吉锐、郑蔚薇、陈宏远、
李海昭、商显栋、董莉、马歆、孙振西、夏咸喜、杨志文、麻志成、沈冬奎、陈沛、余征跃、王明行、陈庆伟、
郭碧城、孔强、陈天斌、李纪涛、王业熙、李东、瓮松峰、包陈、王焕庆、佟永帅、李奕德、许学龙、薛朝、
远帅波。
引 言
仪器化压入试验方法适用于受材料体积限制不便加工成标准试样的场合,尤其是金属构件的现场
检测。与采用紧凑拉伸试样和三点弯曲试样的常规断裂韧度试验相比,仪器化压入试验获取的断裂韧
度更多地反映被测韧性金属材料的局部力学性能,特别适用于评价材料性能的局部差异,是常规断裂韧
度试验方法的补充与参考。该方法适合韧性断裂的材料,即GB/T 21143中采用J 与δ指标描述断裂
行为的材料[1]。针对线弹性断裂或解理型断裂的材料,宜采用GB/T 21143或其他方法。
金属材料 仪器化压入试验
断裂韧度的测定
1 范围
本文件规定了金属材料断裂韧度仪器化压入试验方法的原理、试验机、试样、试验程序、试验结果的
不确定度和试验报告。
本文件适用于GB/T 21838.1规定的宏观范围仪器化压入试验测定韧性金属材料断裂韧度。
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 21838.1 金属材料 硬度和材料参数的仪器化压入试验 第1部分:试验方法
GB/T 21838.2 金属材料 硬度和材料参数的仪器化压入试验 第2部分:试验机的检验和校准
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
通过连续记录压头压入试样时的试验力-压入深度曲线来获得金属材料的力学性能的试验方法。
3.2
球形压头 sphericalindenter
端部为球形,且端部与柄部制成一体的压头。
3.3
施加于压头上的力和压头垂直压入材料试验面深度之间的曲线。
注:如图1所示。
图1 仪器化压入试验方法获得的试验力-压入深度曲线
4 符号和说明
本文件使用的符号和相应的说明见表1。
表1 符号和说明
符号 说明 单位
Aeq 等效裂纹面积 mm2
α 临界剪切应力与临界拉伸应力比值 -
D 损伤变量 -
E0 试样无压入损伤时的压入模量 MPa
Eeff 有效压入模量,考虑试样塑性变形的压入模量修正 MPa
Eind 压头杨氏模量 MPa
F 试验力 N
Fmax 最大试验力 N
h 施加试验力下的压入深度 mm
hmax 最大试验力下的最大压入深度 mm
hp 卸除试验力后的残余压入深度 mm
hRE 卸除试验力后的压痕回弹深度 mm
hs 球头高度 mm
JSIT 球压头压入能量释放率 N·mm-1
JⅡC Ⅱ型裂纹开始扩展时的J积分值 N·mm-1
KJⅠC 由Ⅰ型裂纹开始扩展时的J积分值换算的临界应力强度因子 MPa·m1/2
KJⅡC 由Ⅱ型裂纹开始扩展时的J积分值换算的临界应力强度因子 MPa·m1/2
R 球形压头半径 mm
R0 卸除试验力后的残余压痕凹坑曲率半径 mm
压入微观损伤等效裂纹面积Aeq-压入损伤耗散能UD之间线性拟合的皮尔
逊相关系数
S 卸载斜率 N·mm-1
S0 理论卸载斜率 N·mm-1
ν 试样材料泊松比 -
νind 压头泊松比 -
U0 Aeq-UD线性拟合常数项 N·mm
UD 压入损伤耗散能 N·mm
5 原理
采用球形压头以准静态多次加载-卸载方式压入光洁的材料试验面,获得连续的试验力-压入深度
曲线(F-h曲线),通过能量释放率法[3],计算得到压入微观损伤等效裂纹面积-压入损伤耗散能关系、能
量释放率JSIT,最终转换为金属材料Ⅰ型裂纹开始扩展时的临界应力强度因子KJⅠC。
6 试验机
6.1 试验机应包括驱动装置、球形压头、机架、力测量装置、位移测量装置等。宜采用表面参比原理的
试验机,见图2。经相关方协商,采用其他原理的试验机也适用本文件。
标引序号说明:
1---驱动装置;
2---力测量装置;
3---机架;
4---位移测量装置;
5---球形压头;
6---试样;
7---试验台或试样固定支撑装置。
图2 典型仪器化压入试验机原理示意图
6.2 压入试验力应符合GB/T 21838.1规定的宏观范围,宜采用2N~3kN。
6.3 应使用如图3所示球形压头,球形端部与压头柄部制为一体能减小试验误差,球形压头的直径应
为0.5mm~2.5mm,推荐采用0.5mm、0.75mm、1.0mm和1.5mm四种规格。
标引序号说明:
1---球形压头柄部;
2---球形压头端部。
图3 球形压头
6.4 球形端部与柄部宜采用锥形过渡,如图4所示,球头高度hs不宜小于最大压入深度hmax的1.5倍。
图4 球形压头端部几何特征示意图
6.5 球形压头的球面部分圆度允许偏差应小于0.3μm
[4]。
6.6 球形压头表面粗糙度Ra宜小于第1个压入循环最大压入深度的1/20。
注:球形压头表面粗糙度会导致压头与材料试验面接触零点难以确定。
6.7 球形压头的材料应使用碳化钨、氮化硅或金刚石。
6.8 当试样为加工制备的用于试验的材料时,试验机应具有固定试样的试验台和固定支撑装置,且应
具备对试样进行固定、位置调整的能力,安装好的试样不应产生变形、翘曲,试样与夹具之间不产生影响
压入深度测量的相对位移,同时试验面的垂直度应满足7.3的要求;当试样为金属构件时,试验机应配
备固定支撑装置以使其能被固定于金属构件上,且应具备对试验机进行固定、位置调整的能力,安装好
的试验机不应改变系统刚度,不产生影响对金属构件试验面压入深度测量的相对位移,同时试验面的倾
斜度应满足8.1.3的要求。
6.9 力测量装置中的力传感器应至少分辨到0.1N,准确度应为0.5级。位移测量装置中的位移传感
器应至少分辨到0.1μm,1mm测量范围内的准确度应为0.5级。
6.10 试验机应能在试验循环中测量和记录试验力、压入深度、时间及其之间的关系曲线。
6.11 试验机应在8.1.1中所表述的试验温度范围内使用,因温度变化引起的压入深度偏移不应大于
0.5μm,其最大允许偏差为±1%h。
6.12 试验机应按GB/T 21838.2的规定进行校准。
7 试样
7.1 试样为按照一定形状、尺寸和试验面要求加工制备的用于试验的材料,或者按照试验面要求处理
制备的金属构件。
7.2 试样的试验面不应有氧化物、涂层、润滑剂等异物。试验面粗糙度Ra应小于第1个压入循环最大
压入深度的1/20。推荐采用P120、P240、P400、P800金相砂纸对试验面进行逐级打磨。
7.3 宜尽量避免热或冷加工对试验面的影响。
7.4 为减小试样固定支撑装置对试验结果的影响,试样应足够厚或压入深度足够小。按照GB/T 21838.1
的规定,试样厚度应为最大压入深度的10倍以上或压痕直径的3倍以上。
8 试验程序
8.1 一般要求
8.1.1 试验环境温度应符合GB/T 21838.1的相关要求。
8.1.2 试样和试验机之间应采用刚性连接,确保试验机刚度无明显降低。
8.1.3 压入方向应与试验面垂直,倾斜度应小于1°。
8.1.4 试验时,压痕中心距离试样边缘应至少为压痕直径的3倍,相邻压痕中心之间的距离应至少为
压痕直径的5倍。
8.1.5 如试验力-压入深度曲线加载段出现“上凸”的情形,则本次试验无效,应通过减小最大压入深度
或提高压入试验机系统刚度加以解决。
8.1.6 每次试验应保证至少包括3个压入点的有效试验,且每一压入点试验均应包含不少于8个等压
入深度间距的加卸载循环,宜采用8个~15个等压入深度间距的加卸载循环。
8.1.7 试验过程中宜避免外界因素对试验结果的不利影响,如振动、冲击等。
8.2 试验步骤
8.2.1 循环加卸载试验可选用压入深度控制或试验力控制的方法。
8.2.2 在压头接近试样试验面时,缓慢移动压头,避免碰撞造成试验面力学性能变化。压头下压位移
速率不宜超过2μm/s。
8.2.3 记录整个试验过程中的试验力F 和压入深度h,最大压入深度hmax宜不小于0.08倍的压头半
径R。
8.3 数据处理
8.3.1 零点的确定
应按照GB/T 21838.1的规定确定零点。
8.3.2 卸载斜率S和卸除试验力后残余压入深度hp的测定
采用公式(1)拟合第i个压入循环(60%~95%)Fmax(i)范围内的卸载数据,每一个卸载循环用于拟
合的数据点不应少于50个,计算卸载斜率S(i)和卸除试验力后的残余压入深度hp(i)。
F=S(i)(h-h(i)p) (1)
根据公式(2)计算第i个压入循环卸除试验力后的压痕回弹深度hRE(i)。
h(i)RE=h
(i)
max-h
(i)
p (2)
8.3.3 残余压痕凹坑曲率半径R0的测定
用球面描述卸除试验力后的残余压痕凹坑,根据公式(3)计算第i个压入循环卸除试验力后的残余
压痕凹坑曲率半径R0(i)。
R(i)0 =
(h(i)p)2+2h
(i)
maxR-(h
(i)
max)2
2h(i)p
(3)
8.3.4 有效压入模量Eeff的测定
根据公式(4)计算第i个压入循环的有效压入模量Eeff(i)[6]。该计算考虑了韧性金属材料宏观压入
中的塑性变形,为考虑试样塑性变形的压入模量修正。
E(i)eff=
1-ν2
h(i)RERR
(i)
R(i)0 -R
S(i)-(1-ν2ind)/Eind
(4)
当第一个压入循环的最大压入深度hmax(1)≤0.04R 时,损伤对有效压入模量的影响可忽略,该循环
的有效压入模量Eeff(1)可视为试样无压入损伤时的压入模量E0,且理想状态下E0在数值上接近试样材
料的杨氏模量。
8.3.5 损伤变量D 的测定
根据公式(5)计算第i个压入循环的损伤变量D(i)。
D(i)=1-
E(i)eff
E0
(5)
8.3.6 压入微观损伤等效裂纹面积Aeq的测定
根据公式(6)计算第i个压入循环的压入微观损伤等效裂纹面积Aeq(i)。
A(i)eq =πh
(i)
maxR-(h
(i)
max)2[ ]D(i) (6)
8.3.7 压入损伤耗散能UD的测定
根据公式(7)计算对应于E0的理论卸载斜率S0(i)。
S(i)0 =
h(i)RERR
(i)
R(i)0 -R
1-ν2
E0 +
1-ν2ind
Eind
(7)
根据公式(8)计算第i个压入循环的压入损伤耗散能UD(i)。
U(i)D =
(F(i)max)2
S(i)
S(i)0
÷ (8)
8.3.8 断裂韧度KJⅠC的测定
以压入微观损伤等效裂纹面积Aeq(i)为横坐标,压入损伤耗散能UD(i)为纵坐标,得到如图5所示的
压入微观损伤等效裂纹面积-压入损伤耗散能散点图,使用公式(9)拟合第一个数据点以外的全部
Aeq(i)-UD(i)数据点,该线性拟合斜率为形成单位面积压入微观损伤等效裂纹的耗散能,即为压入试验的
能量释放率JSIT。
UD=JSITAeq+U0 (9)
当Aeq(i)-UD(i)数据点的相关系数r大于0.95时,则试验结果有效。
压入试验的损伤成因与Ⅱ型断裂试样裂纹尖端同属剪切型损伤,应与Ⅱ型断裂试验中的能量释放
率JⅡC建立直接关联。
JⅡC=JSIT (10)
根据公式(11)计算KJⅡC[5]。
KJⅡC=
E0JSIT
1000(1-ν2)
(11)
KJⅡC与KJⅠC的比例关系由裂纹开始扩展时的临界剪切应力与临界拉伸应力比值α决定,对于绝
大多数钢铁材料、铝合金材料和钛合金材料,该数值介于0.29~0.38之间[7-12],推荐α取0.35。
KJⅡC
KJⅠC
=α (12)
注:KJⅠC为Ⅰ型裂纹开始扩展时的临界应力强度因子,对应于Ⅰ型断裂韧度试验由拟合阻力曲线与0.2mm 钝化
偏置线交点处J积分值JQ0.2BL计算的应力强度因子。
图5 压入试验获得的压入微观损伤等效裂纹面积-压入损伤耗散能曲线
9 试验结果的不确定度
附录A给出了试验结果的不确定度评定指南。
10 试验报告
试验报告应至少包括以下内容:
a) 本文件编号;
b) 与试样有关的详细资料;
c) 所用压头的材料、端部几何特征、表面粗糙度Ra;
d) 试验条件(试验步骤的完整描述),包括:
1) 控制方法(压入深度控制或试验力控制);
2) 试验力或位移的施加速率和施加时间;
3) 试验力或位移保持恒定的开始位置和持续时间;
4) 试验循环中每阶段数据的采集频率或采集的数据量;
e) 试验结果KJⅠC,循环次数和试验次数;
f) 确定零点的拟合方法和函数;
g) 本文件规定以外或本文件可选择的各项操作;
h) 各种可能影响试验结果的细节;
i) 试验温度;
j) 试验日期和时间;
k) 试验过程中的异常情况;
l) 如有要求,给出所有信息,包括从试验力-压入深度曲线上测定的数值和有关不确定度评估的
详细信息。
附 录 A
(资料性)
试验结果的不确定度评定
A.1 概述
完整的不确定度评定按照JJF1059.1进行。不确定度可分为以下两类。
a) A类不确定度,即压入试验结果不确定度的评定,主要包括:
---零点的设置;
---试验力和压入深度的测量;
---试验条件的选择。
b) B类不确定度,即压入试验机的不确定度评定,主要包括:
---压入试验机的力和位移;
---压入试验机的柔度;
---球形压头的球部直径(半径);
---球形压头的球部表面粗糙度Ra;
---试样试验面的倾斜度。
A.2 压入试验结果不确定度的估算方法
A.2.1 压入试验结果的不确定度
压入试验结果的不确定度评估方法可参照GB/T 21838.1-2019中H.2.3给出的方法2执行。
A.2.2 压入试验结果的扩展不确定度
对于一台特定的仪器化压入试验机,在缺少断裂韧度标准试样的情况下,仅能评估来自试验结果随
机误差而产生的扩展不确定度。扩展不确定度U 的计算见公式(A.1),试验结果的计算见公式(A.2)。
以SA508为例的断裂韧度KJⅠC不确定度评定见表A.1。
U=k·uX (A.1)
式中:
U ---扩展不确定度,单位为兆帕米的二分之一次方(MPa·m1/2);
k ---包含因子;
uX ---试样压入试验结果平均值的标准不确定度,单位为兆帕米的二分之一次方(MPa·m1/2)。
X=x±U (A.2)
式中:
X ---试验结果,单位为兆帕米的二分之一次方(MPa·m1/2);
x ---试样压入试验结果的平均值,单位为兆帕米的二分之一次方(MPa·m1/2)。
表A.1 压入试验结果的扩展不确定度示例
步骤 不确定度来源 符号 公式 注释
SA508KJⅠC压入试验为例
MPa·m
试样压入试验结果
的平均值和标准差
sX
x=
i=1
xi
sX =
n-1∑
i=1
(xi-x)2
n=5
对试样进行
5次检测
单值:190.30;195.81;194.......
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