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斷裂力學實驗內容1. 材料性能的測試，即材料破壞與裂紋擴展的內在條件。例如，平面應變斷裂韌度、臨界張開位移、臨界J積分、疲勞裂紋擴展速率、蠕變裂紋擴展速率、動態(tài)斷裂韌度以及應力腐蝕臨界應力強度因子等。2. 裂紋尖端能量場和應力應變場參數的實驗標定。例如，應力強度因子的實驗標定、J積分的實驗標定等。3. 理論探索和驗證性實驗。例如，壓力容器與管道的全尺寸爆破試驗、大型焊接結構接頭的斷裂實驗等。

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金屬材料平面應變斷裂韌

5、度KIc試驗方法GB 2358-1980裂紋張開位移(COD)試驗方法GB 2038-1991金屬材料延性斷裂韌度 JIc試驗方法GB/T 21143-2007金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統一試驗方法 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-7 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010一 G的力學標定多試件法 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。在彈性范圍內作出每

6、個試樣的載荷-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軸作出柔度-裂紋長度的關系曲線。 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 平面應變斷裂韌性KIc的測試原理1 試驗原理 用試驗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于缺陷的裂紋，然后對試樣進行加載。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先確定的，所以其應力場強度因子KI的表達式也是確定的。 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)擴展的臨界狀態(tài)的載荷Pq及試樣斷裂后測出的預制的裂紋深度a，代入應力場強度因子的表達式求出裂紋失穩(wěn)擴展的臨界KI值并記為Kq。 然后再依據一些規(guī)定判斷Kq是不是平面應變狀態(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，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-15三點彎曲試樣SENB 三點彎曲試樣具有易于加工和便于加載的優(yōu)點 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 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-18取樣和標記 第一個字母表示裂紋面的法線方向 第二個字母表示裂紋

10、擴展方向 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材料的性能應滿足一定的限制條件，使試樣滿足平面應平面應變變及小范圍屈服小范圍屈服的力學條件時，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變的條件之一。裂紋長度a要求是保證線性彈性斷裂力學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機上預制。 控制好疲勞載荷，裂紋長度a應在0.450.55W之間。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-223 試驗方法 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-23緊湊拉伸試驗 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-24確定臨界載荷Pq過原點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曲線的交點為P5，若在交點P5以前

12、P-V曲線上所有的點的載荷均低于P5，則取裂紋失穩(wěn)擴展的條件載荷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，用放大倍數為3050的測量顯微鏡或工具顯微鏡測量裂紋的長度。因為一般的疲勞裂紋前緣呈圓弧形，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 試驗結果的處理(1) 三點彎曲試驗 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-274 試驗結果的處理(2) 緊湊拉伸試驗 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-284 試驗結果的處理(3) C形拉伸試驗 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-294 試驗結果的處理(4) 圓形緊湊拉伸試驗 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-305 Kq的有效性檢驗 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定c的原理與方法。使用三點彎

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不強調平面應變狀態(tài)，而僅強調構件的實際應用的情況，所以試樣厚度B一般取工件實際厚度，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的國家標準中，取r=0.45。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-38CTOD試驗中的三類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 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。試驗時，用X-Y記錄儀記錄P-關系曲線及裂紋兩側電位E與位移的E-關系曲線，當裂紋擴展時，E迅速增加，根據E-曲線的突變點可以確定裂紋開始擴展時的位移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 聲發(fā)射法的裝置原理簡圖示于右。試樣內啟裂時發(fā)出的聲發(fā)射信號經探頭感受后，由前置放大器再經聲發(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，同時輸入施力點位移信號，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)射法與電位法聯合確定啟裂點。 Kylinsoft, 2010 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-41確定啟裂點氧化發(fā)藍法可用來確定加載到P-曲線不同位置時裂紋的擴展量，從而確定啟裂點。加載到P-曲線上某點處卸載取下試樣，在空氣介質中加熱氧化到呈藍色，然后冷卻。壓斷試樣后，斷口如右圖所示。由于預制疲勞裂紋的表面光滑，氧化膜顏色較淺；而試驗中裂紋擴展的表面比較粗糙，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展量。當觀察到的裂紋擴展量近乎為零或由不同的擴展量外推到零的點應對應于啟裂點。l一未氧化新斷口；2一裂紋擴展斷口；3一預制疲勞裂紋；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時臨界點的確定方法，和測定臨界CTOD一樣，可