用斷裂負荷法測定熱處理鋁合金制品抗應力腐蝕開裂性的標準試驗方法ASTM G139-05(R2015)（最新中文翻譯版）
ASTM G139-05(R2011)
ASTM G139-05(R2015)最新
用斷裂負荷法測定熱處理鋁合金制品抗應力腐蝕開裂性的標準試驗方法（僅供參考）
1本試驗方法由ASTM金屬腐蝕委員會G01管轄，并由環境輔助開裂小組委員會G01.06直接負責。
當前版本于2011年9月1日批準。2011年9月出版。最初于2005年批準。上一版于2005年批準為G139-05。DOI: 10.1520/G0139-05R11。
本標準以固定名稱G139發布；緊跟在名稱后面的數字表示最初采用的年份，如果是修訂，則表示最后修訂的年份。括號中的數字表示上次重新批準的年份。上標（ε）表示自上次修訂或重新批準以來的編輯性更改。
1、范圍
1.1本試驗方法涵蓋了通過斷裂荷載試驗方法評估抗應力腐蝕開裂（SCC）性的程序，該方法使用剩余強度作為損傷演化（在這種情況下為環境輔助開裂）的測量方法。
1.2本試驗方法包括試樣類型和復制、試驗環境、應力水平、暴露時間、最終強度測定和原始殘余強度數據的統計分析。
1.3本試驗方法適用于熱處理鋁合金，即2XXX合金和7XXX，含1.2%至3.0%銅，且試樣的取向與晶粒結構（1，2）2相關，橫向較短。然而，用于分析數據的殘余強度測量和統計數據并非針對可熱處理鋁合金，可用于其他試樣取向和不同類型的材料。
2括號中的黑體數字是指本標準末尾的參考文獻列表。
1.4本標準并非旨在解決與其使用相關的所有安全問題（如有）。本標準的使用者有責任在使用前建立適當的安全和健康實踐，并確定法規限制的適用性。
2、參考文件
2.1 ASTM標準：3
3有關參考的ASTM標準，請訪問ASTM網站www.astm.org，或通過Service@astm.org聯系ASTM客戶服務。有關ASTM標準年鑒卷信息，請參閱ASTM網站上的標準文件摘要頁。
E8金屬材料拉伸試驗的試驗方法
E691進行實驗室間研究以確定試驗方法精度的實施規程
G44在中性3.5%氯化鈉溶液中交替浸入金屬和合金的暴露規程
G47測定2XXX和7XXX鋁合金產品應力腐蝕開裂敏感性的試驗方法
G49直接拉伸應力腐蝕試樣的制備和使用規程
G64熱處理鋁合金抗應力腐蝕開裂分類
3、術語
3.1本標準專用術語定義：
3.1.1審查—一個統計術語，表明由于試驗程序或條件的原因，單個觀察值可能超出可測量的范圍。
3.1.2取樣—從中獲得單個應力腐蝕開裂試樣的名義上均勻的散裝材料。
4、試驗方法概述
4.1本試驗方法描述了使用暴露于腐蝕環境后的殘余強度評估熱處理鋁合金產品形式（如板材、板材、擠壓件、鍛件和棒材）的應力腐蝕開裂敏感性的程序。這些產品通常在板材的長橫方向、板材、擠壓件和鍛件的短橫方向以及棒材和棒材的橫方向上最易發生應力腐蝕開裂。在本試驗中，根據規程G49制備的拉伸鋼筋或直接拉伸板試樣暴露于3.5重量%的氯化鈉水溶液（規程G44）中，在其失效前移除，并進行拉伸試驗，以確定已發生的腐蝕損傷量。然后計算平均剩余強度，并使用Box-Cox變換對結果進行統計分析。
......
5、意義和用途
5.1本試驗方法適用于高強度鋁合金（2XXX和含有7XXX的銅），通常在3.5%氯化鈉中通過交替浸泡進行試驗。然而，使用剩余強度作為損傷演化度量的概念（在這種情況下，環境輔助開裂）原則上可以應用于任何合金和環境系統。
5.2本試驗方法用于研究抗應力腐蝕性能提高的合金和回火。試驗結果允許將不同的材料變體與高置信度進行比較，并且比通過/失敗試驗的結果具有更高的精度。因此，它對于比較具有類似抗應力腐蝕開裂水平的材料特別有用。該程序可以修改以用作質量保證工具，但在其開發過程中，這并不是主要目的。
5.3本試驗方法中所述的暴露時間和條件特別適用于高強度鋁合金，但統計技術應適用于具有不同暴露條件的其他合金系統。
5.4盡管該特殊程序主要用于在短橫向應力方向上測試產品，但對于其他應力方向，尤其是薄板和薄板產品中的長橫向，該程序是有用的。
5.5確定材料的實際適用性需要在與最終用途有關的條件下，在預期的使用環境中進行應力腐蝕試驗，包括涂層和抑制劑等保護措施，且不在本試驗方法的范圍內。
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6、干擾
6.1斷裂負荷試驗根據實施規程G44排除了在環境中發生的點蝕，例如在交替浸沒試驗中使用的3.5%NaCl溶液。使用斷裂負荷試驗的主要問題是選擇適當的暴露應力。如果暴露壓力太低，則不會累積損傷。另一方面，如果施加的應力過高，許多試樣將在預定的暴露期結束前失效。本試驗方法中包含的統計程序可以容納少量的失效試樣，但不能容納大量的試樣。
6.2斷裂負荷試驗適用于暴露在自然和使用環境中的試樣。然而，這些環境中的條件可能不是恒定的，因此必須考慮暴露的時間和周期，以避免產生偏差。例如，溫度、濕度和污染物濃度等季節性變化的環境條件可能會影響室外暴露站的腐蝕性。應使用相同的環境條件進行直接的材料比較。
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7、試樣
7.1斷裂荷載程序可使用夾具中可承受軸向應力的任何試樣進行，該夾具將承受施加的位移。然而，使用不同的試件幾何形狀或應力方法獲得的結果不能直接進行比較。雖然樣品的相對磁化率不會改變，但絕對值可能會大不相同。
7.2只要金屬試樣的幾何形狀允許，應使用根據規程G49制備的光滑圓形拉伸試樣進行試驗。如果薄板和其他產品太薄，無法產生抗拉鋼筋，則可使用薄板拉伸試樣。試驗靈敏度隨試樣標距截面表面積與體積比的增大而增大，但用圓形拉伸試樣進行的試驗表明，不同尺寸的試樣（1）可以達到相同的相對排名。
8、暴露程序
8.1應力程序和暴露條件—試樣應按照規程G49圖1中的恒定撓度型夾具進行軸向加載，并按照規程G44進行3.5%NaCl交替浸沒試驗。每個應力水平/暴露時間組合的試樣數量應至少為3個；最好為5個或更多。
8.2應力水平—應力水平的最小數量為兩個，其中一個是無外加應力暴露的整套試樣。對于具有未知應力腐蝕抗力的試樣，除了無應力試樣外，最好從兩個或三個應力水平開始。無應力試樣允許計算一般、點蝕和晶間腐蝕引起的損傷，并將其與外加應力引起的損傷分開。必須通過考慮樣品的預期性能，為每個樣品選擇其他應力水平。試樣抗應力腐蝕能力越強，應力越高。理想的最大應力應為通過開裂導致顯著損傷的最大應力，但在預定暴露期（2）結束前，不會導致超過幾個試樣實際斷裂成兩片?？梢允褂靡粋€應力水平，但統計計算僅評估該應力水平下樣品的性能。換言之，如果不實際進行測試，就沒有很好的方法來推斷和估計較高或較低應力水平下的性能。
8.3暴露時間—必須針對待測樣品和試樣的尺寸和方向調整該參數。一般來說，對于2XXX和7XXX合金的短期橫向試驗，應使用2到4個時間段（加上零天無應力），最大時間約為10天。一般來說，長的橫向試樣和更耐腐蝕的合金系統（如6XXX合金）應暴露更長的時間。G64分類給出了這些情況的時間段，可用于估計合理的最大暴露時間。
注1：對于在試驗環境中具有未知SCC性能的材料變體，建議根據試驗方法G47中的程序對有限數量的合格/不合格試樣進行試驗。這將為選擇適當的應力水平和樣品暴露時間提供指導。這可以防止花費大量的時間和金錢在沒有提供重要價值信息的標本上。
......
8.5殘余強度數據可用于通過簡單計算每個應力/時間組合的平均殘余強度來顯示樣品之間的趨勢，如圖1所示。然而，必須使用統計程序來評估趨勢是真實的還是僅僅是數據分散的。
8.5.1在斷裂負荷試驗方法的發展過程中，單個單元（單個樣品/應力/時間組合）內的數據方差顯示，隨著抗SCC能力的降低而增加。這種方差隨殘余強度降低而增加的趨勢意味著，對于性能較好的單元，斷裂負荷試驗解決單元間差異的能力可能比性能較差的單元大得多。因此，平均剩余強度圖可能會產生誤導。
注1：本組中的一些試樣在預定的暴露期結束前確實發生了故障，但這些故障試樣并未包含在平均值中。平均值僅代表幸存下來進行拉伸試驗的試樣。在310 MPa下，九天數據的上升是由于不包括失效試樣。
圖1 代表性數據集（一個實驗室）的平均剩余強度值圖
9、統計分析Box-Cox變換
9.1斷裂荷載數據可通過以下步驟進行統計分析。毫無疑問，還有其他的程序可以工作，但是Box-Cox變換已經證明了它在整個數據集的方差不是恒定的情況下是有用的（4,5）。在應力腐蝕開裂數據的情況下，隨著殘余強度的降低，方差通常增大。以下程序假設已對每個材料變體、暴露時間和暴露應力測試了固定數量的試樣。其中一些數值將被保留審查，也就是說，一些樣本將在完成預定的暴露期之前失敗。對于此類試樣，斷裂荷載值已知小于或等于暴露應力，但該程序包括估算這些數據點值的統計方法。
注2：附錄X1包含一個樣本框Cox計算，該計算遵循本節試驗方法中所述的程序。
9.2通過初步轉換轉換原始值X
式中，XO是給定材料變量無暴露的平均斷裂載荷。此轉換表示每個試樣原始強度的保留百分比，從而使不同材料的剩余強度標準化。
9.3 Box-Cox參數是使用同時為相對相似的樣本生成的所有數據確定的。例如，當測試一種合金的多個樣品時，如果這些樣品是使用不同的制造工藝生產的，或者處于不同的溫度，在確定以下參數時，應考慮所有數據。這也適用于來自同一系統的合金。另一方面，應單獨考慮對試驗環境有不同反應的合金。例如，6XXX和2XXX合金的比較就是這樣。
9.3.1對于具有一個以上觀測值（即非傳感值）的所有數據單元，計算平均值m和標準偏差s。繪制ln(s)與ln(m)的關系圖，并確定最佳擬合直線的斜率α。Box-Cox變換中的參數λ：
是1-α。
9.3.2常數C可通過任何方式選擇，以提供方便的大小數字。一個方便的選擇是：
其中，Xtr, max是數據集中非傳感器值中Xtr的最大值。這將給出0到100之間的數字，與Xtr的值的范圍相同。
9.4通過間隔（O，Yc）上的均勻隨機數生成，為截尾觀察值生成統計上合理的值，表示失敗的樣本，其中Yc是截尾值（即暴露應力）的轉換。
9.5使用標準統計技術分析完整的轉換數據集。分析轉換為Box-Cox度量的一組數據的一種簡單方法是找到數據表中所有單元格的平均值和標準差。由于每個單元格具有相同數量的觀測值，因此r單元格的標準差的合并估計為
在這個方程中，N是觀測的總數，r是單元格的數目，c是截尾值的數目。
9.5.1那么兩個具有統計學意義的單元平均值的最小差異，即所謂的最小顯著差異或LSD，是
該值可用于統計比較兩個單元，以確定單元中的數據是否真的來自兩個具有不同均值的群體。
9.5.1.1在這個表達式中，n是每個單元格的觀測數；t-檢驗系數t v取決于選擇的顯著性水平，自由度v由
對于95%顯著性和v≈100，tν≈2。當v變小時，tν的值增加；這會增加將被視為顯著的最小差的值。對于tν的精確值，必須參考學生t分布表；正確的值將表示雙尾t檢驗。
注3：剛剛計算的轉換LSD值適用于確定Box-Cox變換參數的整個數據集。
9.5.1.2在比較單獨考慮的數據集時，應首先將兩組數據的估計差異匯總起來。例如，如果數據集稱為1和2，方差估計分別為
和，自由度分別為ν1和ν2，則歸并標準差通常為
如果兩個方差估計值與相同的自由度數相關聯，則方程變為
為了比較兩個與相同觀測數n不相關的平均值，使用LSD的上述表達式，其中ν=ν1+ν2和sp等于集合標準差的上述表達式。
9.5.1.3本研究中數據的更詳細統計分析可基于方差分析程序。
9.5.2任何數據單元的平均值的置信下限可以通過表達式計算得出
式中，mB-C是平均Box-Cox變換值，tν值表示單尾t檢驗，與用于上述LSD的tν值不同。例如，當需要99%的LCL且ν≈100時，tν的值約為2.36。
9.6如果需要，將LCL值轉換回Xtr或原始X度量。
9.7 Box-Cox計算的結果可用于以圖形方式呈現數據，如圖2和3所示。
10、結果的解釋
10.1當施加的應力高到足以引起所有試樣的快速失效，或低到試樣中不產生損傷時，應力腐蝕開裂試驗結果通常是相當可重復的。然而，在中間應力下，試樣的性能有相當大的變化。當一組樣本中的一些（但不是所有）樣本失敗時，這種可變性在通過/失敗測試中變得明顯。使用斷裂荷載程序，方差可以表現為試樣失效或測量殘余強度的大方差。這種變化很大一部分是由于可熱處理鋁合金微觀結構的不均勻性造成的，與試驗程序無關。
10.2統計結果，如置信下限和最小顯著性差異，旨在對給定環境、暴露時間和應用應力下不同材料變體的應力腐蝕開裂性能進行排序。
10.2.1由于統計結果是給定環境下性能的相對指標，不同實驗室對相似樣品可能得不到相同的絕對值。本試驗方法12.1中關于精度起始的說明中對此進行了詳細討論。
......
注1：在這種情況下，已估算出失效試樣的隨機值。注意Box-Cox度量（左Y軸）與原始度量（右Y軸）相比的非線性性質。
注2：Box-Cox變換使整個曲線圖的方差近似為常數。最小顯著性差異（LSD）可用于比較任意兩個值，以確定它們在給定置信度下是否不同。如圖所示；四天和六天138 MPa值確實不同，而四天、六天和九天310mpa值都相似。與圖1相比，在較高的應力水平下，差異似乎更大。
圖2 盒式Cox變換度量的平均值圖（與圖1相同的數據集）
注1：本圖顯示了導致顯著SCC損傷的應力/時間組合。從LCL可以看出，樣品在兩天暴露期間的所有應力水平和......
圖3 顯示每個單元的置信下限（LCL）值的圖（來自圖1和2中繪制的數據）
11、報告
11.1應報告以下信息：
11.1.1所有樣品的標識，包括合金、回火、產品形狀、厚度、樣品位置和方向。
11.1.2所有原始數據，包括每個腐蝕試樣的原始抗拉強度、暴露時間、應力水平和原始斷裂強度。這最好以表格形式進行，使用每個應力/時間組合的單元格。該表應記錄在從試驗中取出之前以及檢測到故障當天發生故障的任何試樣。只要有可能，建議報告斷裂韌性與SCC裂紋擴展方向相同。例如，對于使用短橫向SCC試樣測試的軋制鋼板，最合適的值是S-L平面應變斷裂韌度（KIC）。
......
12、精度和偏差4
4支持數據已在ASTM國際總部存檔，可通過索取研究報告RR: G01-1014獲得。
12.1精度聲明：
12.1.1通過實驗室間試驗程序，使用具有不同應力腐蝕開裂敏感性的合金7075的三種溫度，評估本試驗方法數據的精度。這八個實驗室在這三種脾氣中都有一致的區別。實驗室間試驗結果與長期使用和自然環境試驗結果一致。
12.1.2研究報告列出了8個實驗室4的所有原始數據?；?/span>Box-Cox變換的數值比較非常難以解釋，因為每個實驗室得到的變換系數不同。因此，繪制各個數據點，以提供本程序用戶應預期的變異性示例，并根據規程E691進行統計分析。
注4：由于其中一個應力水平的測試誤差，八個測試位置中的一個已從圖4和一些剩余的數值和圖形比較中排除。
12.1.3圖4顯示了實驗室間試驗程序中使用的兩種合金7075溫度的一些原始數據圖。原始數據顯示了相當大的實驗室間變化，并且在每個實驗室內，顯示出隨殘余強度降低而增加的分散性。這種非均勻方差要求使用諸如Box-Cox變換等統計技術。所示的T7X1回火的分散性相當高，因為對于許多替代浸沒設備，該應力接近于一個應力，該應力會導致試樣在從暴露中取出之前失效。
注1—圖中顯示T7X1和T7X2樣品之間的損傷程度存在相關性。
......
12.1.5根據規程E691中的程序，對斷裂荷載實驗室間試驗程序的原始數據進行統計分析。分析基于7075-T7X1樣品的單獨時間/應力組合。表1列出了相關自由度值的結果，并繪制在圖5中。
12.1.6由于整個數據集的方差不是恒定的，因此未計算出數據的方差或相應置信區間的總體估計。
12.2偏差說明—試驗方法G139中的程序沒有偏差，因為這種情況下的斷裂荷載值僅根據本試驗定義。
圖4 七個實驗室原始數據的比較
注1：在斷裂荷載實驗室間試驗程序中測試的7075-T7X1材料的重復性和再現性與總平均剩余強度的關系。這兩個統計數據都顯示了典型的應力腐蝕開裂行為，即隨著殘余強度的降低，方差增大。
圖5 繪制的重復性和再現性與總殘余強度的關系
13、關鍵詞
13.1交替浸泡；鋁合金；腐蝕；熱處理鋁合金；室外暴露；殘余強度；應力腐蝕開裂；拉伸試驗
表X1.1 斷裂荷載計算的原始數據
表1實驗室間試驗程序的方差統計分析（7075-T7X1板暴露于3.5%NaCl溶液中的短橫向試驗，根據規程G44）
注1：對于每個138和207MPa的暴露應力，時間段，組合重復性有8個自由度（DOF），實驗室和再現性有32個自由度。310mpa對應的自由度值為7和28。
注2：除了規程E691要求的重復性和再現性值外，實驗室差異引起的實際變化也包含在“實驗室”一欄中
表X1.2 原始數據轉換為最大殘余強度百分比
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