疲劳与断裂力学 断裂韧性测试技术参考资料

1、第七章,平面应变断裂韧度测试,金属材料的裂纹扩展抗力称为断裂韧度，线弹性断,裂韧度表示为,K,Ic,弹塑性断裂韧度有,J,Ic,和,d,Ic,常规强度设计条件,安全系数,断裂力学设计条件,J,Ic,n,J,J,max,I,S,S,n,m,ax,S,n,K,IC,I,n,K,K,max,d,d,d,n,Ic,max,I,安全系数,d,J,K,n,只要满足小范围屈服和平面应变条件，断裂韧度就不,再与试样或结构的几何形状有关,而仅为材料的常数。它,表征材料所固有的平面应变裂纹扩展抗力。由于它代表了,实际结构中最常见和最危险的裂纹顶端约束情况，所以平,面应变断裂韧度,Plane,Strain,Frac

2、ture,Toughness,在安,全设计中有重要地位,试样的平面应力和平面应变状态是对裂尖附近区域而,言的,裂尖的,K,主导区是一个高应力区，其周围是广大的低应,力区,在,K,主导区内均为拉应力,第一节,K,Ic,的测试方法,K,主导区受,x,y,二方向拉应力作用将发生很大的,z,向收缩,但低应力区,z,向收缩很少，所以裂尖附近高应力区内沿,z,向（板,厚）的收缩将受到其周围广大低应力区的制约，处于,平面应变,状态,故裂尖附近的材料处于三向拉伸应力状态下,但是在试样表面处，因为,这儿的,K,主导区处于,平面应力,状态,0,z,如果试样很薄，表面的平面应,力层占了主导地位，试样就处于平,面应力

3、条件下了。这时测不出稳定,正确的,K,Ic,值,如果试样足够厚（厚度,B,相对于,K,主导区很大），在,厚度方向上平力区所占比例很小，裂纹前缘较大地区处于,平面应变状态，这时可近似认为试样处在平面应变条件下,才可能测出稳定的,K,Ic,值,测试的一般过程为：在试验机上得到裂纹开始失稳扩,展的临界荷载值,P,q,代入相应的,K,因子关系式，例如,2,1,w,a,f,BW,P,K,I,就求得条件断裂韧度,K,q,再检验,K,q,的有效性得,K,Ic,1,试样的,K,因子表达式,取决于进行断裂韧度测试的试样形状,要把平板试样拉断，要求试验机吨位很大，所以现在已,经不再用平板试样，而用三点弯曲、紧凑拉

4、伸、圆片紧凑,拉伸,C,形紧凑拉伸（对管材，中国是拱形三点弯）等试样,这些,试样的特点,是,1,韧带（裂纹延长线上裂纹尖端到试样背表面的区域,是主承载区）处于弯曲状态，故都是,弯曲型试样,2,它们都是,比例试样,长宽高具有规定的比例。比例试,样的厚度加大时，所有尺寸都成比例增大,根据,GB4161-84,金属材料平面应变断裂韧度试验方,法”的规定,标准三点弯曲试样,的,K,q,表达式为,2,3,W,a,f,BW,S,P,K,q,q,2,3,2,2,2,1,1,2,1,2,7,2,93,3,15,2,99,1,3,W,a,W,a,W,a,W,a,W,a,W,a,W,a,f,P,q,临界荷载,B,

5、试样厚度,S,跨距,W,试样,宽度,a,裂纹长度,标准紧凑拉伸试样,的表达式为,2,1,W,a,f,BW,P,K,q,q,2,3,4,4,3,3,2,2,1,6,5,72,14,32,13,64,4,886,0,2,W,a,W,a,W,a,W,a,W,a,W,a,w,a,f,P,q,临界荷载,B,试样厚度,W,试样宽度,a,裂,纹长度,这两种试样的,K,q,值，都是用,边界配位方法,计算得到的,GB4161,84,中还给出了,C,形拉伸试样,和,圆形紧凑拉伸试样,的表达式,2,确定,P,q,和,a,有了,K,q,表达式，只需测得试样在其裂纹发生失稳扩展时,的临界状态荷载,P,q,和当时裂纹长度

6、,a,代入相应的,K,因子表达,式，便可算得,K,q,现在先确定,P,q,这要分三种情况讨论,对试样加载，记录加载过程的,P,V,外载,裂纹嘴张开,位移）曲线，三种情况的,P,V,曲线如图,GB4161-84,中规定,在,P,V,曲线中作一过原点的射线，使其斜率比,P,V,曲线,初始直线段的斜率,P,V,减小,5,此射线与,P,V,曲线将有,一个交点,1,如果在交点左边的,P,V,曲线上有极大点，则该点对应,的,P,值就是,P,q,值,2,除了情况,1,以外，交点对应的,P,值就是,P,q,值,裂纹长度,a,的测定必须在试样的断口上进行,裂纹长度,a,的表达式为,4,3,2,3,1,a,a,a

7、,a,国标对,a,1,a,2,a,3,a,4,a,5,的,测量均匀度还有一些规定,3,K,q,的有效性检验,P,q,称为条件临界荷载，因为这个值不一定有用，即它,代入,K,因子表达式求出的,K,q,不一定是材料的有效值。要使,K,q,就是,K,Ic,必须满足,2,个条件,1,1,1,max,q,P,P,这是为了保证线弹性条件和平面应变条件的措施之一,但,1.1,这个值是约定的,实验发现，当,B,不足时,K,q,偏小而,K,max,偏大，但,K,Ic,总在,K,q,和,K,max,之间。因此，如规定,K,max,K,q,即,P,max,P,q,1.1,使得二,者相差不过,10,则测得的,K,Ic

8、,的误差就不会超过,10,因此,为保证,K,Ic,精度，要求,1.1,2,尺寸要求,B,a,W,a,2,5,2,S,q,K,裂纹长度要求,这是小范围屈服条件,2,5,2,S,q,K,a,韧带尺寸,W,a,要求,2,5,2,S,I,K,a,W,厚度要求,和,2,5,2,S,I,K,B,这也是经验性的，基本点是厚度应比塑性区尺寸大一,个数量级，才能保证裂尖前缘有,90,处于平面应变状态,2,5,2,S,I,K,B,2,6,1,S,I,y,K,r,y,y,r,r,B,50,15,由,得,这时平力区只占,B,的,10,以下，平变区占,B,的,90,以上。保证了测试试验的平面应变条件,当满足了,1,2,

9、这二个条件时,IC,q,K,K,对金属材料来说，即使在平面应变条件下，裂纹开始扩,展（启裂）并不一定试样就会立即失稳断裂。这是因为在,裂纹前端存在塑性区。裂纹扩展要产生塑性变形，会导致,材料加工硬化，必须要增大外载，裂纹才会继续扩展。这,种扩展就叫,稳态扩展,或,慢扩展,但当荷载继续增加达到,某一临界点后，即使荷载不再增加，裂纹也能自动向前扩,展直到断裂,应用断裂力学测定材料的,K,Ic,是一个难点,K,有效要求,1,1,max,q,P,P,2,5,2,s,IC,K,a,W,a,B,MPa,MPam,K,s,IC,1600,64,2,1,mm,K,s,IC,4,5,2,2,mm,S,W,B,3

10、2,8,4,则,第二节,J,Ic,的测试方法,这一尺寸要求，对于高强度钢，是容易达到的,例如，某钢,其三点弯曲试样取,即可,MPa,MPam,K,s,IC,400,126,2,1,mm,K,s,IC,250,5,2,2,则,但对于,低强高韧钢,则很难达到试样尺寸要求,例如，某钢,但是由于这类钢广泛用于大型电站设备，其部件处于平面应,变状态，需用,K,Ic,进行断裂分析，所以迫切需要解决,K,Ic,的测,定方法,m,S,W,B,2,5,0,25,0,其三点弯曲试样,这样大尺寸的试样制造和实验都十分困难,1974,年,Landes,和,Beglay,提出用小试样（比常规断裂力,学试样小一个数量级）

11、测定材料,K,Ic,的想法。这个创造性的,设想使,J,积分理论具有了实际的意义，并使低强高韧钢,K,Ic,试样小型化有了可能,用小试样在,EPFM,弹塑性）范围内测出的,J,Ic,与,LEFM,线弹性）范围的,J,Ic,相同，这样就可用,EPFM,内的,J,Ic,由下式,换算出,K,Ic,E,K,J,IC,IC,2,为什么可以从,J,的测试而得到,K,呢,Landes-Beglay,的观点是,但是,K,与,J,是二个不同的概念,K,Ic,是裂纹扩展,D,a,2,a,时的,裂尖应力场强度临界值,J,Ic,是裂纹启裂时裂尖应力应变场强度,临界值。因此只能说从工程角度看，这种近似是可取的,弹塑性裂尖

12、场的推导本与,J,无关，为什么要与,J,相联系呢,其目的是通过,J,的形变功定义测出,J,Ic,从而导出裂纹扩展,判据。例如，由,J,的形变功定义，可以得出三点弯曲试样的,2,a,w,B,U,J,式中,U,恒位移条件下的形变功,W,试样宽度,a,裂纹长,度,B,试样厚度,试验过程中由于试样不断，裂纹何时启裂不易确定，目前,多采用,多试样法,将所得数据点外推，找到启裂时的,J,Ic,多试样法的要点是,加工一组,5,个）几何形状完全相同,a,也一样）的试样,分别加载到不同挠度,使各试样的裂纹扩展量,各不,相同。用氧化法或二次着色法使稳定裂纹扩展区,留印，然,后压断试样，量出,又由记录仪求出对应的,

13、再换算,为,从而在,图上作得一系列点，由这些点回归求出,一条拟合曲线，就得到了,J,阻力曲线,Curve,D,a,D,a,D,i,a,D,i,U,i,J,a,J,R,J,将此曲线外推到,0,处，得到的是否就是启裂时的,J,值呢？不是。因为在裂纹真正开始扩展之前，还有一个裂,尖钝化（塑性变形）过程。所以从,O,点开始有一条钝化直,线，其方程为,钝化线和,J,阻力曲线的交,点才是,a,D,a,J,b,S,D,i,J,当实验得到的,值满足,J,控制条件时,i,J,IC,i,J,J,方法的用途有,i,作为一种判据，评价冶金因素，热,处理和焊接的影响，选择材料,ii,确定一种材料用于某一,服役条件是否适

14、当,iii,对,作保守估计,测定,的中国标准是,GB2038-91,美国标准是,ASTM,E813-02,方法不适用于具有极高撕裂抗力的高延性、韧性材,料，因为这种材料实际撕裂引起的裂纹扩展与严重的裂纹,顶端钝化混在一起而区分不开,C,J,C,J,C,K,C,J,由,J,积分预计,应注意两个前提,1,要对,试验的大试样和,J,积分试验的小试样的,断裂机制，特别是启裂机制有所了解,2,要明确,中临界点或条件值的含义,代表完全脆断或启裂后立即失稳，它是在断口上,看不出有裂纹扩展痕迹时的断裂韧度。而,代表缓慢稳,定裂纹扩展的起始点，这时裂纹不会立即失稳,C,K,C,K,C,K,C,K,C,J,的测定大多采用三点弯试样,直接测量裂纹尖端张开位移很困难，现行试验规范都,是采用韧带地区铰链模型的变形特征，用试样裂纹嘴处的,张开位移来间接换算裂纹尖端张开位移,其表达式为,IC,d,I,d,2,1,0,0,0,2,2,a,w,r,a,z,v,a,w,r,E,K,p,s,I,p,e,I,d,d,d,第三节,d,Ic,的测试方法,2,1,0,0,0,2,2,a,w,r,a,z,v,a,w,r,E,K,p,s,I,p,e,I,d,d,d,式中,r,是旋转因子，英国标准,DD-19-79,规定为,0.4,我国,