金属材料 K－R曲线试验方法 Standard test method for K－R curve determination of metallic materials 2023－12－29发布 2024－07－01实施 中华人民共和国工业和信息化部 发 布 HB 5261－2023 代替 HB 5261－1983 ICS 49.025.01 CCS V10 HB 5261－2023 I 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。 本文件代替 HB 5261－1983《金属板材 KR曲线试验方法》 。 本文件与 HB 5261－1983 相比，主要技术内容变化如下： a) 将标准名称中的“板材”改为“材料” ，适用范围不再限定为金属板材； b) 增加了“试验原理和方法概要”一章(第 4 章)； c) 标准的试样形式由三种变为两种， 删除了目前已经不用的 CLWL试样(原2.1.3条和3.4.3条)； d) 测试程序中增加了“直接测量物理裂纹尺寸的测试程序”和“柔度技术测量有效裂纹尺寸的测 试程序”(7.8.2 条和7.8.3 条)； e) 完善了直接测量和柔度技术测量的数据处理过程(8.2 条和8.3条)； f) 附录 A由“柔度标定曲线”更改为“计算公式与柔度曲线” ； g) 删除了附录 B，将位移计的相关内容纳入正文中； h) 删除了附录 C，不再详细给出 K－R曲线的拟合过程。 本文件由中国航空工业集团有限公司提出。 本文件由中国航空综合技术研究所归口。 本文件起草单位： 中国航发北京航空材料研究院、 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院、 中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院。 本文件主要起草人：陈 勃、胡本润、鲁 原、马少俊、李红萍、沈培良、张新全、秦剑波。 本文件于 1983 年首次发布。 HB 5261－2023 1 金属材料 K－R曲线试验方法 1 范围 本文件规定了金属材料 K－R曲线试验的试样、试验设备及装置、试验步骤、试验结果的计算及试 验报告。 本文件适用于采用中心裂纹拉伸 M(T)试样、紧凑拉伸 C(T)试样测定金属材料的 K－R曲线。 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 4161 金属材料 平面应变断裂韧度 KIC试验方法 GB/T 10623－2008 金属材料 力学性能试验术语 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 3 术语和定义、符号 3.1 术语和定义 GB/T 10623－2008 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1.1 有效模量 effective modulus E eff 有效的弹性模量值。对于真实的初始裂纹尺寸 a0，由该值确定的理论柔度与由试验确定的线弹性柔 度相互匹配。 3.1.2 K－R曲线 K－R curve 裂纹在缓慢、稳态的扩展过程中，由于裂纹前沿塑性区尺寸的增加，材料抵抗断裂的能力 KR随有 效裂纹扩展量 Δae的增加而变化的曲线。 3.1.3 平面应力断裂韧度 plane-stress fracture toughness Kc K－R曲线试验中，最大载荷值所对应的 KR值。 3.1.4 表观平面应力断裂韧度 apparent plane-stress fracture toughness Kapp 采用初始裂纹尺寸和试验中的最大载荷值计算出的 K值，是断裂韧度的工程估计值。 HB 5261－2023 2 3.2 符号 下列符号适用于本文件。本文件使用的符号、名称和单位见表 1。 表 1 符号、名称和单位 符号 名称 单位 a 裂纹尺寸，升载时为 ae，卸载时为 ap mm a0 初始裂纹尺寸 mm ac 临界有效裂纹尺寸 mm ae 有效裂纹尺寸， ae＝ap＋ry mm Δae 有效裂纹扩展量： Δae＝ae－a0 mm ap 物理裂纹尺寸 mm B 试样厚度 mm L 试样总长度 mm L0 试样有效长度，螺栓加载时为试样两端最内侧加载孔的距离， 楔形加载时为夹持末端之间的距离 mm W 试样宽度 mm P 载荷 kN Pfmax 最大疲劳预制裂纹载荷 kN R 应力比 － K 应力强度因子 MPa m Kc 平面应力断裂韧度 MPa m Kapp 表观断裂韧度 MPa m KR 用应力强度因子表征的裂纹扩展抗力 MPa m V(CMOD) 裂纹嘴张开位移 mm ΔP 载荷幅值 kN ΔV CMOD幅值 mm E 弹性模量 GPa Eeff 有效模量 GPa P0.2 屈服强度 MPa b 抗拉强度 MPa net 净截面屈服应力 MPa Y 测量点位移跨距的一半 mm ry 塑性区尺寸 mm Rv 有效性判据因子 －  泊松比 － 注：P0.2、b分别对应 GB/T 10623－2008中的 RP0.2、Rm。 HB 5261－2023 34 试验原理和方法概要 4.1 试验原理 4.1.1 在缓慢稳态的断裂过程中，裂纹被连续或逐级增加的力或位移驱动向前扩展，而 KR等于施加在 裂纹尖端的应力强度因子 K，一般会随着裂纹扩展量的增加而上升。 K－R曲线是 KR值随有效裂纹扩展 量Δae的增加而变化的曲线。 4.1.2 K－R曲线可以与裂纹扩展驱动力曲线相配合来估计产生失稳扩展的临界载荷或临界裂纹尺寸。 假设 K－R曲线与 a0无关，仅为 Δae的函数，绘制 K－R曲线和一系列给定载荷下的裂纹扩展驱动力曲 线，如图 1所示，与 K－R曲线相切的裂纹扩展驱动力曲线确定出开始出现失稳扩展的临界载荷状态。 切点所对应的 K值，即为材料的平面应力断裂韧度 Kc值。反之，可以将图 1 中的 K－R曲线平移，使 之与给定载荷下的裂纹扩展驱动力曲线相切来确定在该载荷状态下将会产生失稳扩展的临界裂纹尺寸。 4.2 方法概要 4.2.1 K－R曲线试验是采用带有疲劳预制裂纹的中心裂纹拉伸 M(T)试样或紧凑拉伸 C(T)试样，按 规定的加载速率对试样进行加载，记录加载过程中的 P－V数据与曲线。加载过程中的有效裂纹扩展量 Δae可以通过直接测量或柔度法获得， 而KR则根据试样相应的表达式进行计算获得。 对有效的( KR，Δae) 数据进行处理即可获得材料的 K－R曲线。若最大载荷点处的数据满足有效性判据，该点的 KR值即为 材料的 Kc值。 4.2.2 本标准包括以下三种获得有效裂纹尺寸的方法： a) 直接测量物理裂纹尺寸，然后通过塑性区尺寸进行修正； b) 卸载柔度技术获得物理裂纹尺寸，然后通过塑性区尺寸进行修正； c) 升载柔度技术直接获得有效裂纹尺寸。 三种技术对应不同的试验程序和数据处理过程。 4.2.3 试样的柔度是试样在试验过程中位移变化与载荷变化的比值( ΔV/ΔP)。有效裂纹尺寸 ae可以直 接由单调的升载柔度 ΔV/ΔP计算获得。 物理裂纹尺寸 ap可以通过在选择的时间点对试样进行局部卸载， 由卸载柔度 ΔV/ΔP计算获得。无量纲参量 EB(ΔV /ΔP)随C(T)试样 a/W、随 M(T)试样2 a/W变化的柔 度曲线和公式见附录 A。 4.2.4 试验中产生的有效 K－R数据点的数量取决于试样类型、尺寸和加载方法。 K KC △aKR ae a0 acP1P2P3P4 显示递增载荷的裂纹 扩展驱动力曲线 图1 K－R曲线与裂纹扩展驱动力曲线相结合预测失稳扩展示意图 HB 5261－2023 4 5 试样 5.1 概述 本标准包括两种类型的试样：中心裂纹拉伸 M(T)试样和紧凑拉伸 C(T)试样。可根据材料的种类、 尺寸及试验装置选择合适的试样类型。试样尺寸应足够大，使得在整个试验过程中保持线弹性为主的状 态。对于明显各向异性的材料，宜采用 M(T)试样。有效的试样数量一般不少于 2件。 5.2 中心裂纹拉伸 M(T)试样 5.2.1 推荐的 M(T)试样示意图如图 2 所示。试样两端包含销轴加载孔或设计成采用多个螺栓加载或 楔形加载。裂纹尺寸 a是从试样的中心线到裂纹尖端的长度，即为两个裂纹尖端距离的一半。 L0/2 L 图2 M(T)试样示意图 5.2.2 为确保试样在失稳扩展前处于线弹性为主的状态，推荐试样宽度 W ＞35( ry)max。(ry)max为预期 的最大塑性区尺寸，由预估的材料最大 KR值和