06 斷裂韌性的測試原理

1、Fracture MechanicsPirate Captain第六章第六章 斷裂韌性的測試原理斷裂韌性的測試原理齊俊林 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-3斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 材料性能的測試，即材料破壞與裂紋擴(kuò)展的內(nèi)在條件。例如，平面應(yīng)變斷裂韌度、臨界張開位移、臨界J積分、疲勞裂紋擴(kuò)展速率、蠕變裂紋擴(kuò)展速率、動(dòng)態(tài)斷裂韌度以及應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子等。2. 裂紋尖端能量場和應(yīng)力應(yīng)變場參數(shù)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。例如，應(yīng)力強(qiáng)度因子的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定、J積分的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定等。3. 理論探索和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。例如，壓力容器與管道的全尺寸爆破試驗(yàn)、大型焊接結(jié)構(gòu)接頭的斷裂實(shí)驗(yàn)等。

2、 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-4Related specifications BS 7448 Parts 1-4 Fracture Mechanics Toughness TestsBS 6729 Determination of the Dynamic Fracture Toughness of Metallic MaterialsBS 7910 Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures Kylinsoft, 2010

3、Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-5Related specifications ASTM E399-09 Standard Test Method for Plane Strain Fracture Toughness of Metallic MaterialsASTM E1290-09 Standard Test Method for Crack-Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture Toughness MeasurementASTM E1820-09 Standard Test Method for Measurement fo

4、r Fracture ToughnessASTM E1823-09 Technology Relating to Fatigue and Fracture TestingASTM E1921-09 Standard Test Method for Determination of Reference Temperature, T0, for Ferritic Steels in the Transition Range Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-6Related specifications GB 4161-1984金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌

5、度KIc試驗(yàn)方法GB 2358-1980裂紋張開位移(COD)試驗(yàn)方法GB 2038-1991金屬材料延性斷裂韌度 JIc試驗(yàn)方法GB/T 21143-2007金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-7 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010一 G的力學(xué)標(biāo)定多試件法 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-8 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010制備一組試樣使其具有相同的外形尺寸，但其中的裂紋長度各不相同。在彈性范圍內(nèi)作出每

6、個(gè)試樣的載荷-位移(曲線。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-9 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010分別以柔度與裂紋長度為坐標(biāo)軸作出柔度-裂紋長度的關(guān)系曲線。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-10 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010在圖解法中常將柔度表達(dá)式改寫成無量綱形式BWP Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-11二 平面應(yīng)變斷裂韌性KIc的測試原理1 試驗(yàn)原理 用試驗(yàn)的材料制成一定形狀和尺寸

7、的試樣，在試樣上制備出相當(dāng)于缺陷的裂紋，然后對試樣進(jìn)行加載。由于試樣及其裂紋的形狀、尺寸和加載方式以及斷裂部位都是預(yù)先確定的，所以其應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI的表達(dá)式也是確定的。 在加載過程中，用測試儀器連續(xù)地記錄載荷增加及裂紋擴(kuò)展情況的P-V曲線(V為裂紋嘴張開位移)。將曲線上表明裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界狀態(tài)的載荷Pq及試樣斷裂后測出的預(yù)制的裂紋深度a，代入應(yīng)力場強(qiáng)度因子的表達(dá)式求出裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界KI值并記為Kq。 然后再依據(jù)一些規(guī)定判斷Kq是不是平面應(yīng)變狀態(tài)下的KIC，如果Kq不符合判別的要求，則仍不是KIC，需要增大試樣尺寸重新試驗(yàn)，直到測出材料的KIC值。 Kylinsoft, 2010 Kyl

8、insoft, 2010斷裂韌性的測試原理-122 試件 三點(diǎn)彎曲試樣SENB（Single edged notched bend specimen） 緊湊拉伸試樣CT（Compact tension specimen） C形拉伸試樣 圓形緊湊拉伸試樣 單邊缺口拉伸試樣（Single edged notched tension specimen） 寬板試樣（curved wide plate testing） Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-13 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-14 Kylin

9、soft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-15三點(diǎn)彎曲試樣SENB 三點(diǎn)彎曲試樣具有易于加工和便于加載的優(yōu)點(diǎn) Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-16緊湊拉伸試樣CT 緊湊拉伸試樣則有節(jié)省材料的好處 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-17C形拉伸試樣和圓形緊湊拉伸試樣 C型拉伸試樣和圓型緊湊拉伸試樣分別適用于管材和棒材的試驗(yàn) Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-18取樣和標(biāo)記 第一個(gè)字母表示裂紋面的法線方向 第二個(gè)字母表示裂紋

10、擴(kuò)展方向 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-19 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-20試樣尺寸尺寸相對于試驗(yàn)材料的性能應(yīng)滿足一定的限制條件，使試樣滿足平面應(yīng)平面應(yīng)變變及小范圍屈服小范圍屈服的力學(xué)條件時(shí)，才能獲得該材料的穩(wěn)定的KIC值。試樣厚度B的要求是滿足平面應(yīng)變的條件之一。裂紋長度a要求是保證線性彈性斷裂力學(xué)所要求的小范圍屈服所必須的。韌帶寬度(w-a)的大小，既能影響小范圍屈服，又能影響包圍塑性區(qū)的廣大彈性范圍的大小。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測

11、試原理-21裂紋制備 引發(fā)裂紋的切口一般采用線切割加工，其寬度一般為0.12mm，切口頂端的尖裂紋可在高頻拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制。 控制好疲勞載荷，裂紋長度a應(yīng)在0.450.55W之間。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-223 試驗(yàn)方法 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-23緊湊拉伸試驗(yàn) Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-24確定臨界載荷Pq過原點(diǎn)o作一割線，該割線的斜率比P-V曲線中直線部分的斜率低5，該割線與P-V曲線的交點(diǎn)為P5，若在交點(diǎn)P5以前

12、P-V曲線上所有的點(diǎn)的載荷均低于P5，則取裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的條件載荷Pq=P5，如圖12-3(c)中曲線中即為這種情形；如果在交點(diǎn)P5以前在P-V曲線上還有大于P5的載荷，則取其中最高的載荷為P5，如圖 (a)、(b)中曲線I，II就屬于這種情形。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-25確定裂紋長度a 斷口形貌觀察。在斷裂的試樣斷口上，用放大倍數(shù)為3050的測量顯微鏡或工具顯微鏡測量裂紋的長度。因?yàn)橐话愕钠诹鸭y前緣呈圓弧形，要求在試樣厚度的1/4、1/2、3/4三處測量，取其平均值作為有效裂紋長度。 Kylinsoft, 2010 Kylinsof

13、t, 2010斷裂韌性的測試原理-264 試驗(yàn)結(jié)果的處理(1) 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn) Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-274 試驗(yàn)結(jié)果的處理(2) 緊湊拉伸試驗(yàn) Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-284 試驗(yàn)結(jié)果的處理(3) C形拉伸試驗(yàn) Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-294 試驗(yàn)結(jié)果的處理(4) 圓形緊湊拉伸試驗(yàn) Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-305 Kq的有效性檢驗(yàn) Kylinsoft, 2010

14、Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-31 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-32 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-336 利用小試件測定KIC221ICICKEJ Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-34 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-35三 裂紋頂端張開位移c的測試原理有多種標(biāo)定裂紋頂端張開位移c的方法，如單試樣法、多試樣法、阻力曲線法等。這里介紹單試樣法標(biāo)定c的原理與方法。使用三點(diǎn)彎

15、曲試樣，其外形與KIC試樣相似，制備方法也相同。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-36不強(qiáng)調(diào)平面應(yīng)變狀態(tài)，而僅強(qiáng)調(diào)構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)用的情況，所以試樣厚度B一般取工件實(shí)際厚度，對試樣寬度W及裂紋長度有如表12-3的規(guī)定，加載跨距S=4W。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-37試樣的制備方法在測定COD的國家標(biāo)準(zhǔn)中，取r=0.45。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-38CTOD試驗(yàn)中的三類P-V曲線 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft,

16、2010斷裂韌性的測試原理-39電位法確定啟裂點(diǎn) 電位法是在試樣兩端加一恒值穩(wěn)定電流，并在裂紋兩端焊上電位測頭。試驗(yàn)時(shí)，用X-Y記錄儀記錄P-關(guān)系曲線及裂紋兩側(cè)電位E與位移的E-關(guān)系曲線，當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí)，E迅速增加，根據(jù)E-曲線的突變點(diǎn)可以確定裂紋開始擴(kuò)展時(shí)的位移Vc，其原理如圖所示。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-40聲發(fā)射法確定啟裂點(diǎn) 聲發(fā)射法的裝置原理簡圖示于右。試樣內(nèi)啟裂時(shí)發(fā)出的聲發(fā)射信號經(jīng)探頭感受后，由前置放大器再經(jīng)聲發(fā)射測試儀主體放大和選樣，將聲發(fā)射率S輸入X-Y記錄儀，同時(shí)輸入施力點(diǎn)位移信號，從而可繪出S-曲線。由于聲發(fā)射率峰值較

17、多，一般采用聲發(fā)射法與電位法聯(lián)合確定啟裂點(diǎn)。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-41確定啟裂點(diǎn)氧化發(fā)藍(lán)法可用來確定加載到P-曲線不同位置時(shí)裂紋的擴(kuò)展量，從而確定啟裂點(diǎn)。加載到P-曲線上某點(diǎn)處卸載取下試樣，在空氣介質(zhì)中加熱氧化到呈藍(lán)色，然后冷卻。壓斷試樣后，斷口如右圖所示。由于預(yù)制疲勞裂紋的表面光滑，氧化膜顏色較淺；而試驗(yàn)中裂紋擴(kuò)展的表面比較粗糙，氧化膜化顏色較深，故通過金相顯微鏡觀察，很容易測出裂紋的擴(kuò)展量。當(dāng)觀察到的裂紋擴(kuò)展量近乎為零或由不同的擴(kuò)展量外推到零的點(diǎn)應(yīng)對應(yīng)于啟裂點(diǎn)。l一未氧化新斷口；2一裂紋擴(kuò)展斷口；3一預(yù)制疲勞裂紋；4一線切割切口。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-42四 JIc的測試原理用于J積分測定的有單試樣法、多試樣法、阻力曲線法等。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-43(一) 單試樣法 使用三點(diǎn)彎曲試樣，其外形與KIC試樣相似，制備方法也相同。 試樣尺寸 測定JIc時(shí)臨界點(diǎn)的確定方法，和測定臨界CTOD一樣，可