第5章断裂韧度测试

第五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。常规强度设计条件： ：安全系数。断裂力学设计条件： ：安全系数

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（PlaneStrainFractureToughness）在安全设计中有重要地位。§5-1试样中的平力、平变应力状态

试样的平力，平变应力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。…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。

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，才可能测出稳定的值。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条件下了。这时测不出稳定正确的值。§5-2的测试方法

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，代入相应的K因子关系式，例如[就是等式的变形]，就求得条件断裂韧度，再检验的有效性得。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，是试样的主承载区）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。不光与厚度B有关，还与W、S都有关系。1.试样的K因子表达式：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表达式为：—临界荷载，B—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：—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.确定和ɑ有了表达式，只需测得试样在其裂纹发生失稳扩展时的临界状态荷载和当时裂纹长度ɑ，代入相应的K因子表达式，便可算得。现在先确定，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值就是值。（2）除了情况（1）以外，交点对应的P值就是值。

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%的规定是人为约定的标准，它对应着裂纹的等效扩展量（真扩展和塑性变形）为裂纹长度ɑ的2%，此时的荷载作为。这种情况与试验规范中材料屈服时的定义类似。

裂纹长度ɑ的测定必须在试样的断口上进行。裂纹长度ɑ的表达式为国标对的测量均匀度还有一些规定。3.的有效性检验

称为条件临界荷载，因为这个值不一定有用，即它代入K因子表达式求出的不一定是材料的有效值。要使就是，必须满足2个条件。（1）

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不足时偏小而偏大，但总在和之间。因此，如规定（即）使得二者相差不过10%，则测得的的误差就不会超过10%。因此为保证精度，要求。（2）

尺寸要求：B,a,（W-a）

a.裂纹长度要求：，这是小范围屈服条件。

b.韧带尺寸（W-a）要求：韧带是弹性应力场的基础。韧带尺寸过小，裂尖到试样背表面的弹性场变小，使弹性约束降低。这时整个试样塑性变形加大，P-V曲线倾斜极为严重，用5%下降割线得到的值很低。由于塑性显然受薄韧带影响，再用K已不合适。所以实验中对韧带尺寸要有要求，但用只是一种规定，并无特别的道理。

c.厚度要求：

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。

由和 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）这二个条件时：§5-3小结

测平面应变断裂韧度要用标准比例试样，试样必须有计算断裂韧度的相应表达式，测出的结果，要进行有效性分析，如能满足两个有效性条件，则测试有效：如两条中任一条得不到满足，应用加大了尺寸的试样再进行新的测试，直到上述两条件均能满足。当全面尺寸略微不足时，侧出的值偏低，这时可作为有效的下限参考值。

当试样尺寸严重不足时，韧带区全面屈服，此时由求出的不再高于，而是相反，（是已知的，在这种试样上已测