30crmnsini2a鋼斷裂性能實驗研究

ExperimentalStudiesonFractureProperties Candidate KunSchoolorDepartment: SchoolofMechatronicalEngineeringFacultyMentor: Prof.FengleiHuang Masterof Degreeby: BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence： 2A2A本文以國防領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的30nSiNi2A鋼為主要研究對象，從材料動態(tài)拉對30nSiNi2A鋼的斷裂性能進行了研究。利用SHTB技術(shù)研究了30nSiNi2A鋼的動態(tài)拉伸性能，通過實驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)過分析三點彎曲試樣動態(tài)斷裂韌性測試原理，對分離式Hopkinson壓桿設(shè)備進行改造，建立了Hopkinson壓桿材料動態(tài)斷裂韌性測試系統(tǒng)。并運用該系統(tǒng)測試了40Cr材料的動態(tài)斷裂韌性，證實了該系統(tǒng)用于測試材料動態(tài)斷利用萬能試驗機測試了30 nSiNi2A鋼靜態(tài)斷裂韌性，然后利用建立起的Hopkinson壓桿系統(tǒng)測試了30nSiNi2A鋼在兩種不同加載速率下的動態(tài)斷裂韌性。結(jié)果表明在這兩種加載速率下，該材料的動態(tài)斷裂韌性隨加載速率的升高而增大，析表明30nSiNi2A鋼常溫下的斷裂屬于準解理斷裂。：30nSiNi2A 鋼，動態(tài)拉伸，三點彎曲，斷裂韌The30nSiNi2AwhichhasbeencommonlyusedinthenationaldefenseindustrywasstudiedbytheSHTBdynamictensileexperiment,thestaticfracturetoughnessexperiment,thedynamicfracturetoughnessexperimentandthefracturefaceTheresultsobtainedbytheSHTBloadingtechniqueshowthatthe30nSiNi2Aisarate-sensitivematerial.TheSHPBequipmentwasredesignedbasedondynamicthree-pointspecimenfracturetoughnesstestingprinciple.Theredesignedequipmentwasusedtomeasurethedynamicfracturetoughnessofthe40Cr.TheresultsdemonstratethattheredesignedSHPBequipmentisfeasibleandeffective.Thestaticfracturetoughnessanddynamicfracturetoughnessof30nSiNi2AismeasuredrespectivelybyuniversaltestingmachineandtheredesignedSHPBequipment.Theresultsshowthatthedynamicfracturetoughnessofthematerialincreasewiththeriseofloadingspeedrate,butitsvalueislessthanthestaticfracturetoughnessvalues.Thefracturemicromorphology(s)ofdynamictensile,staticanddynamicfracturetoughnessfractureof30nSiNi2Ahavebeenyzed.Theresultsshowsthefractureof30nSiNi2Abelongstoquasi-cleavage:30nSiNi2A,dynamictensile,threepointbending,fracture第1章緒 研究背 研究現(xiàn) 斷裂研究方 斷裂試驗加載速 試驗加載裝 起裂時間的確 本文主要工 第2章 nSiNi2A鋼動態(tài)拉伸實 實驗裝 試樣設(shè) 實驗基本理 實驗、記錄與處 2.4.1撞擊速度和應(yīng)變 應(yīng)變信號、記 SHTB實驗結(jié)果與分 實驗中遇到的問題分 波形整形器對波形的影 本章小 第3章 nSiNi2A鋼靜態(tài)KIC測 應(yīng)力場強度因子 試樣形狀、尺寸和............................................................................試樣形 試樣尺 裂紋.......................................................................................實驗裝 實驗結(jié)果處 確定臨界載荷PQ 裂紋長度a的確 有效性判 實驗結(jié) 本章小 第4章 nSiNi2A鋼動態(tài)KId測 基本理 彈簧質(zhì)量模 線彈簧模 加載點位移近似分析 裂紋嘴張開位移近似分析 試樣形狀、尺寸和.............................................................................實驗裝 入射桿的設(shè) 支撐裝置的設(shè) 應(yīng)變片的使 實驗結(jié)果處理和分 40Cr材料試樣驗證實 第一組實驗結(jié)果及分 第二組實驗結(jié)果及分 實驗中高速攝影結(jié)果分 兩組實驗結(jié)果對比分 本章小 第5章 nSiNi2A鋼斷裂性能分 靜態(tài)和動態(tài)斷裂韌性對比分 斷口形貌分 動態(tài)拉伸試樣斷口分 斷裂韌性實驗試樣斷口分 本章小 第6章結(jié)論與展 成果結(jié) 展 參考文 致 1研究背30nSiNi2A鋼是我國廣泛使用的一種低合金強度鋼，綜合性能良好且成本相對較低，經(jīng)油淬低溫回火（250~300°C）后的強度高于1700MPa。它在我國的航空、航天、艦船、交通和國防等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，比如在飛機上用來做起落架、機翼大梁等，在上做發(fā)動機殼體和侵徹彈體材料等，在上做變速器扭研究現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量水平也達到較高的水平。該鋼是從前引進的，相當(dāng)于俄羅斯的30XГCH2A鋼，它的化學(xué)成分以中碳調(diào)質(zhì)鋼30nSiA為基礎(chǔ)，在30nSiA基50mm以上；并且改善了它的降低了疲勞裂紋的擴展速率。該鋼主要成分的質(zhì)量分數(shù)如表1.1所示：表1.1 ζ 自30nSiNi2A鋼引進以來，這幾十年它在我國各個領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，、[1]對30nSiNi2A鋼溫淬火組織與力學(xué)性能關(guān)系進行了研[2]等采用動態(tài)拉伸法研究了30 nSiNi2A鋼的塑性隨應(yīng)變率變化的規(guī)律，他們發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率范圍在10-4~103之間時，該鋼表現(xiàn)出了典型的高應(yīng)變率增塑現(xiàn)象；另興[3]從機械加工精度、試驗條件和熱處理工藝方面出發(fā)，研究了這些因素[4]對30nSiNi2A鋼的等溫淬火性能進行了研究。通過研究發(fā)現(xiàn)在30nSiNi2A鋼Ms點以上對其進行等溫淬火，與淬火200°C回火進行對比，強度性指標有明顯的提高，鋼性能的最佳組合出現(xiàn)在340°C等溫淬火情況下。，[5]首先分析30nSiNi2A鋼棒材和鍛材的力學(xué)性能，在這個基度后又開始增大；棒材裂紋擴展和速率的分散性在裂紋擴展的前期稍大于鍛材，[6]研究了回火溫度對30nSiNi2A鋼組織和性能的影響?；鼗饻囟仍?00~300°Cε-碳化物和熱穩(wěn)定性較好的殘余奧氏體；在ζ02也隨著回火溫度的提高而增大；但是回火溫度在400~550°C范圍時，該鋼就出現(xiàn)了明顯的回火脆性?；ǚ濉⒌萚7]從化學(xué)成分方面研究了30nSiNi2A鋼的力學(xué)性能。他們以改善鋼的韌性，但對其強度和塑性影響不大。同時他們還研究了熱處理對30nSiNi2A鋼性能的影響[8]890°C900°C20~452.5260~300°C回350~550°C600°C以上時，馬氏體邊，[9]研究了30nSiNi2A鋼的一種強韌性熱處理工藝。通過對貝氏復(fù)合組織，得到了配合良好的強度和韌性。在實驗過，還了等溫淬火時間長對30nSiNi2A鋼沖擊韌度的影響。研究表明：隨著溫度的降低，最大載荷對應(yīng)的、李玉龍等[11]Hopkinson40Cr30nSiNi2A兩種鋼的動態(tài)斷裂韌性，同時研究了它們的率相關(guān)性。實驗過的研究結(jié)果表明，在106MPa·m1/2/s加載速率范圍內(nèi)，40Cr鋼主要表現(xiàn)為解理型斷裂，動態(tài)斷裂韌性隨加載速率的增加變化不明顯；而30nSiNi2A鋼主要表現(xiàn)為延性斷[12]等利用一級輕氣對30 nSiNi2A鋼1~15GPa范圍內(nèi)的動態(tài)力學(xué)性能進行了測試，得到了該鋼的Hugoniot曲線和Gruneisen等式的相關(guān)參數(shù)。清[13][14]等人對 等[15]Hopkinson30nSiNi2A淬火+200°C回火熱處理三種熱處理工藝，然后對其動態(tài)力學(xué)性能進行研究，實驗結(jié)果表明：30nSiNi2A鋼的屈服強度隨著應(yīng)變率增加而增大，表現(xiàn)出了一定的應(yīng)變率敏感860°C淬火+200°C回火狀態(tài)下，表現(xiàn)出了一定的回火脆性；而在860°C淬火+600°C回火狀態(tài)時表現(xiàn)出了優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。武等[16]運用SHPB技術(shù)研究30nSiNi2A鋼在應(yīng)變率為500~5000s-1時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并對實驗后的試樣進行了金相觀察。實驗得到30nSiNi2A鋼的屈1655MPa1908MPa。通過金相和斷口分析發(fā)現(xiàn)，破壞。另外，結(jié)合準靜態(tài)的實驗數(shù)據(jù)，確定了該鋼的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)。30nSiNi2A鋼力學(xué)性能的影響，并且大多為靜態(tài)力學(xué)性能，對30nSiNi2A鋼動態(tài)力學(xué)性能的研究較少，而在30nSiNi2A鋼的動態(tài)斷裂韌性方面，只見、李玉龍等[11]采用實驗－數(shù)值方法做過相應(yīng)的研究，但其所選用試樣并未嚴格按照GB4161-1984中的規(guī)定進行，并未預(yù)制疲勞裂紋。斷裂研究方論的發(fā)展也相對比較成熟，在實際工也已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[18]材料本身沒有宏觀的裂紋，研究材料在外力作用下（振動、沖擊、波動過度加載或者卸載產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力試樣邊界反射回來再次到達裂紋尖端時，改①張開型（I型）裂紋，所受的拉伸應(yīng)力垂直于裂紋的擴展面，裂紋的上下表面沿作用力方向相對張開，裂紋擴展方向沿著裂紋面向前；②滑開型（II型）裂紋，這種情紋的上下表面沿著剪切應(yīng)力方向相對滑開，表現(xiàn)為滑開擴展；③撕開型（III型）裂紋，裂紋如圖1.1所示。在工程問題中，張開型（I型）裂紋是最為常見的裂紋形式，研究這種類型的裂究30nSiNi2A鋼在靜態(tài)和動態(tài)加載條件下的斷裂性能。斷裂試驗加載速率 tItf式中，KId為動態(tài)斷裂韌性值MPa·m1/2；tf為裂紋的起裂時間s??I表試驗加載裝置態(tài)加載速率，Hopkinson桿加載技術(shù)目前在研究動態(tài)斷裂韌性方面得到了很大的（1）伺服試驗機薦的斷裂韌性測試方法，伺服試驗機可以滿足準靜態(tài)試驗的應(yīng)變率范圍和低速撞用于試驗時間大于的快速加載平面應(yīng)變斷裂韌性試驗。KId的測試大多是在落錘式三點彎曲裝置或帶有記錄儀器的擺錘裝置上進行的[28]103s-1也有一些缺點和不足：①試驗過所測得的載荷穩(wěn)定性差，確定載荷時經(jīng)常會出現(xiàn)較大誤差。Bohme[29]等人利用高速攝影機觀察到試驗過試樣與支座和錘頭之間都Kalthoff[29]等對比了利用動態(tài)焦散線達到106MPa·m1/2/s，所以目前廣泛應(yīng)用于高應(yīng)變率下材料動態(tài)力學(xué)性能的研究中。Hopkinson壓桿裝置在沖擊加載的過避免了落錘加載中出現(xiàn)的加載頭與試樣脫離的現(xiàn)象，另外，得到的數(shù)據(jù)也在一定程度上消除了振蕩現(xiàn)象，因此，目前國內(nèi)外在動態(tài)斷裂試驗中，Hopkinson壓桿裝置得到了廣泛的應(yīng)用。，Hopkinson壓桿進行了試驗。他們假設(shè)試樣兩端達到平衡之后裂紋發(fā)生起裂，然后按照J積分公式來計算KId。實驗過，慣性效應(yīng)的影響較小，可以獲得比較B端也不是自由面，不能算是真正的緊湊拉伸。1.2Yokoyama[31]等選取三點彎曲試樣，利用Hopkinson壓桿裝置（如圖1.3所示）動態(tài)有限元方法來確定材料的動態(tài)斷裂韌性KId。利用這種裝置進行試驗，試件與輸所示Hopkinson壓桿入射桿的前端設(shè)計成尖錐形，保證與試樣之間為線接觸，1.4起裂時間的確定Kld透射波極值法。這種方法將吸收桿上透射波達到最大值的時刻作為起裂時刻。當(dāng)試樣上的應(yīng)變信號難以直接獲得時可以采用這種方法，但是這種方法沒有考慮應(yīng)力裂紋發(fā)生處到測試位置的時間，測得的起裂時間要比真實起裂時間晚。動態(tài)焦散。這種方法是利用高速攝影設(shè)備拍攝試樣斷裂過程，可以直本文主要工等方面對30nSiNi2A鋼的斷裂性能進行了研究。利用分離式Hopkinson拉桿對30nSiNi2A鋼試樣進行動態(tài)拉伸在現(xiàn)有分離式Hopkinson壓桿的基礎(chǔ)上，分析三點彎曲試樣動態(tài)40Cr合金鋼的動態(tài)斷裂韌性，與其它學(xué)者試驗結(jié)果對比，分別利用萬能試驗機和本文建立起的Hopkinson壓桿系統(tǒng)對30nSiNi2A鋼在靜態(tài)和動態(tài)加載條件下的斷裂韌性進試，對比分析靜態(tài)和動第2章30nSiNi2A鋼動態(tài)拉伸實J.Hopkinson1872J.Hopkinson做了著伸方面的實驗研究，設(shè)計出各式各樣的Hopkinson拉桿（SHTB）裝置。1960年，Harding[36]設(shè)計出圓筒落錘桿型沖擊拉伸試驗裝置，1966年，Hauser[37]設(shè)計出直接套SHTB80年代以后，人們成功利用反射式[37]、擺錘式[38]、旋轉(zhuǎn)盤式[40]等SHTB技術(shù)對材料的動態(tài)拉伸性能進行了研究。實驗裝本文的動態(tài)拉伸實驗是利用理工大學(xué)已有的SHTB裝置進行的，2.1SHTB4821m/s，桿和200mm兩種，長在相同撞擊速度下可以使試樣發(fā)生更大的應(yīng)變，短可以沖擊加載過希望加載時間較長，所以實驗采用350mm長的。試樣設(shè)根據(jù)設(shè)備情況，本文選取試樣如圖2.2中左所示，圖中右為已具備的試樣與桿之間的連接件。由于30nSiNi2A鋼材料強度較高，為了保證實驗過程計為實驗段直徑2mm，長4mm，具體尺寸如圖2.3所示。 2.22.3實驗基本理現(xiàn)有的SHTB裝置主要是由拉桿系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、和處理系統(tǒng)組成，壓桿系統(tǒng)是實驗裝置中最重要的部分，主要由氣室、、入射桿、透射桿等組18Ni鋼材料，這為實驗數(shù)據(jù)的處理帶來了便利。實驗時，首先給氣室加壓，利用氣室里的高壓氣體驅(qū)動L0以一定的速度V0撞擊入射桿，在入射桿中產(chǎn)生入射脈沖ζI(t)，脈沖幅值為ρ0C0V0/2，脈沖寬度為2L0/C，分別可以通過改變撞擊速度V0和長度L0來控制。試樣在入射脈沖的作用下發(fā)生變形以至破壞，同時反射一部分脈沖ζR(t)，透射另一部分脈沖ζT(t)，這兩個脈沖波的大應(yīng)變儀和瞬態(tài)波形器來測量和記錄桿上的應(yīng)變信號，然后根據(jù)相關(guān)理論計算獲得SHTB技術(shù)有兩個基本假定：①假定桿中的是一維應(yīng)力波；②假定試樣中應(yīng)力/2.4所示，和質(zhì)點速度υ(X1,t)、υ(X2,t)，然后按照以下式子來確定試樣的平均應(yīng)力ζs(t)、應(yīng)變率?s(t)和應(yīng)變εs(t)：s(t)A(X,t)(

,t)

(X,t)

(X,t)

(X,t)（2-

s(t)v(X2,t)v(X1,t)vT(X2,t)vI(X1,t)vR(X1,t) s tt(t) (t)dt v(X,t)v(X,t)v(X tt 0

lsl

式中：A是拉桿截面積，As是試樣截面積，ls應(yīng)變片 試 應(yīng)變片 X2 2.4(X1,t)I(X1,t)R(X1,t)EI(X1,t)R(X1,(X,t)(X,t)

(X, （2- v(X,t)v(X,t)v(X,t)C(X,t)(X G1G2G1G2εI(XG1,t)、εR(XG1,t)和εT(X2,t)來代替εI(X1,t)、εR(X1,t)和εT(X2,t)，然后根據(jù)下列式子計算試樣中的ζs(t)和應(yīng)(t)EA As

(XG

,t)EA

(

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, (t)

t(

,t)dt

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, 0

G (t)2C0(X l lsSHTB技術(shù)的第二個基本假定文中已經(jīng)介紹過，在加載時間內(nèi)，應(yīng)力波在試假設(shè)才能保證測試的精確性：①入射桿、透射桿和撞擊桿在實驗加載過始終處于實驗、記錄與處撞擊速度和應(yīng)變率的速度，我們可以利用到的入射波信號計算出相應(yīng)的應(yīng)變峰值εi，然后根據(jù)公式（2-8）求得速度V0。而應(yīng)變率可以通過調(diào)整撞擊桿的速度V0來改變。i

應(yīng)變信 、記

SHTB裝置拉桿上的應(yīng)變信號是短歷時、高幅值的瞬態(tài)信號，通過粘貼在桿上的3柵寬為332mm。由于桿中的應(yīng)力波長是撞擊桿長度的兩倍，因此應(yīng)變片在入響。電阻應(yīng)變片到的信號經(jīng)過SDY2107超動態(tài)應(yīng)變儀放大之后，利用DPO4034高采樣率350MHz數(shù)字示波器記錄下來。

du0

將示波器到的電壓信號換算為應(yīng)變信號后，根據(jù)應(yīng)力波理論，按照式（2-6（2SHTB實驗結(jié)果與分實驗數(shù)據(jù)是由示波器的的波形數(shù)據(jù)來處理分析試樣材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，示波器的原始波形如圖2.5所示，圖中A段為入射波，B段為反射波，C段為透射波。當(dāng)入射波到達試樣端面時（圖中a點，入射波發(fā)生反射和透射。處理數(shù)據(jù)過，有效數(shù)據(jù)段只在ab之間這一段對應(yīng)的透射波和反射波。這是因為動態(tài)與靜ACbaB----000010.00000.0001000020.0003000040.00050.00060圖2.5示波器的波形 nSiNi2A600s-12.6圖2.7是30nSiNi2A鋼在不同應(yīng)變率下的動態(tài)拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線，曲線2.8是該材料在不同應(yīng)變率下的動2.72.8從圖中可以看出，隨著應(yīng)變率的升高，30nSiNi2A鋼的動態(tài)拉伸強度也隨之實驗中遇到的問題波形整形器對波形的影響看成是由以各自速度的不同幅值和頻率的諧波組成，在過波形無法保持驗過為了得到較好的入射波形，利用入射波整形技術(shù)來優(yōu)化入射波形。以一線性增大，當(dāng)超過整形器屈服點時，整形器就進入了塑性變形階段，它對的撞擊起到了緩沖作用，使入射波曲線光滑，同時由于這個緩沖作用，速度不會立即降為0，、整形器和拉桿不會脫離，入射波繼續(xù)，只有速度低于整形器和拉桿A實驗所用Hopkinson拉桿撞擊端如圖2.9所示以一定的速度撞擊拉桿頂端，拉A141423A-A2.9Hopkinson在實驗過，嘗試了以下幾種整形方法：①涂抹真空脂；②加墊薄鋁片；③加涂抹真空脂法。因為撞擊表面是僅為3mm寬的圓環(huán)形表面，所以涂抹真空脂塑性太好，所以適當(dāng)?shù)耐康暮褚恍?。實驗效果如圖2.10所示。2.10料那樣的塑性變形。在撞擊拉桿頂端時，真空脂受撞擊作用，迅速被擠壓，由于自身的特性性，對的緩沖作用不太顯著，所以對入射波的上升和下降沿以及時間533mm2.9中所示的1、3位置處。實驗效果如圖2.11所示。2.11533mm的小片，利用真空脂的粘性將其對稱2.92、4位置，1、3位置為薄鋁片。最先使用的橡膠片厚度約為2mm，實驗效果如圖2.12所示。分析其原因可能是因為橡膠片的厚度相對于鋁片太大，首先撞擊橡膠片，橡膠發(fā)彈可能還未接觸到薄鋁片，所以入射波出現(xiàn)一個短暫的下降沿，待抵觸到薄鋁片2.122.13試樣與桿之間的連接不易設(shè)計的過大，如此以來，試樣與拉桿之間的連接就需要通過連接件（圖2.2）來實現(xiàn)，連接件與桿、試樣與連接件之間均用螺紋連接。如圖2.14所示。2.14連接件與桿之間是否能夠緊密配合。螺紋連接必定對波的有一定的影2.15本章小本章利用分離式Hopkinson拉桿（SHTB）裝置進行了30nSiNi2A鋼的動態(tài)拉伸實驗，得到了材料動態(tài)拉伸條件下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，得到了應(yīng)變率在600~1800s-1范圍內(nèi)時，該材料動態(tài)拉伸強度為1600~2200MPa。實驗結(jié)果表明30nSiNi2A鋼的動態(tài)拉伸強度隨著應(yīng)變率的增加而增大，具有明顯的應(yīng)變率強化第3章30nSiNi2A鋼靜態(tài)KIC測KICI型裂紋構(gòu)件的裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展時的臨界應(yīng)力強度因子。它表征含裂紋構(gòu)件彈性范應(yīng)力場強度因子遠處受到單向拉伸應(yīng)力??∞，根據(jù)線彈性力學(xué)可得，在離裂紋尖端r處x2方向上的應(yīng)ar(2ar(2a

(xar,x0)

(xar,x0)r(2ar(2a

r(2a由式（3-2）KI值，這一點的應(yīng)力、應(yīng)變及位移的大小也就確定了，KIr(2aKI

3.1含I通常的，把IKIKI 其中，Y是一個與試樣裂紋形態(tài)、構(gòu)件形狀以及加載形式相關(guān)的無量綱系數(shù)，稱為幾何形狀因子；P為外加載荷，a是裂紋尺寸（長度或深度Pa的增大，KI值不斷增大，裂紋開始失穩(wěn)擴展時的臨界值KI就是材料的斷裂韌性，記作KIC。因此我們只需要測出加載過試樣裂紋失穩(wěn)擴展時的臨界載荷PQ和裂紋尺寸a，就可以求出試樣材料平面應(yīng)變斷裂韌性KIC。具體測試方法按照國標GB4161-1984來位移V。然后在記錄的P-V曲線上找出裂紋長度的表觀擴展量為2%時的載荷PQ。同時，在試樣斷裂后，測量斷口上的裂紋尺寸a。將PQ、a以及試樣其他幾何參數(shù)帶入到是否真的是材料的平面應(yīng)變斷裂韌度KIC還需要最后通過有效性判斷來確認。試樣形狀、尺寸試樣形狀伸試樣、CKId測試實驗進行試。三點彎曲試樣簡圖如圖3.2所示。B=0.5WS=4W，裂紋長度a=0.45~0.55W，W為試樣高度。標準三點彎曲試樣的KI表達式為：3SK P3S 2BW

Y W

1.99 a)(2.153.93a aY(a/W)

(W)(1 2.7(W)

a(12 )(1 試樣尺寸Ba和韌帶尺寸（W-a）以近似地認為滿足平面應(yīng)變條件。GB4161-1984 B IC s a IC s度B和裂紋長度a均大于2.5(KIC/ζs)2，所以一般取裂紋長度等于試樣的厚度，這樣才能得到穩(wěn)定有效的KIC值。a/W的大小，既能影響小范圍屈服，又影響到塑性區(qū)外的彈標中準要求試樣的a/W≈0.45~0.55。KIC值。如果已知試驗材料的KIC范圍，通常取偏高的KIC值確定試樣尺寸。但材料的KIC值一般不能事先知道，方便起見一般采用材料測試E399-72標準推薦的按材料屈服強度ζs與彈性模量E的比值來確定試樣的厚度。裂紋Kfmax不超過KIC預(yù)估值的80%，疲勞載荷的最低值與最大值之比要在-1~0.1之間。紋的長度應(yīng)不小于0.025W或1.3mm，取其中較大者，裂紋總長度a應(yīng)在0.45~0.55W綜上所述最后選取的試（如圖3.3所示為B:W:S=12:8厚度B＝20mm，高度W＝40mm，跨距S＝160mm，總長度L＝170mm，裂紋長度a≈20mm，絲切割缺口長度為17.5mm，然后預(yù)制疲勞裂紋，保證a/W的大小為0.45~0.55。AB圖3.3 GJB1951-1994進行熱處理，裂紋機械加工部分采用鉬絲線切割，鉬絲的直徑為0.16mm，鉬絲線切割的深度為17.5mm。預(yù)制疲勞裂紋在分析檢81kN的壓力下發(fā)生脆斷，根據(jù)金屬材料力學(xué)實驗的經(jīng)驗，要使試樣開裂至少需要加載至40kN，待開裂之后將壓力幅值降低為20kN，在10Hz的振動頻率下進行約50000個周期振動，實際預(yù)制過最大應(yīng)力強度因子Kfmax=56MPa·m1/2，疲勞裂紋長度>2.5mm。實驗裝器、夾式引伸計以及X-Y函數(shù)記錄儀或系統(tǒng)。實驗裝置配備如圖3.4所示。壓試軸支伸PV3.4KPV3.5實驗過，利用載荷傳感器把材料試驗機施加給試樣載荷的大小轉(zhuǎn)換成電壓信號。利懸臂夾式引伸計測量試樣裂紋嘴的張開位移。它是用兩個彈作彈性元X-YXY軸，X-YP與裂紋嘴張開位移V的關(guān)系曲線。實驗結(jié)果處確定臨界載荷PQPQ，就能計算出KIC值。PmaxPQ。但是一般情況下，裂紋都會有不同程力學(xué)試驗ζ0.2來代ζs的方法，把裂紋擴展量a達到原始裂紋長a2%時的載荷作為臨界載荷PQ。但是測試時，直接得到的是P-V曲線，而不是P-a曲線，所V和aP-V曲線上找到對應(yīng)于a/a=2%的點。由斷裂力學(xué)找到V/V=5%PQP-V曲線上，割線斜率比初始直線段斜率下降5%對應(yīng)的點就是裂紋嘴張開位移相對增量為5%因此可以用作圖法在P-V曲線上確定PQ值。3.6P~VIII類曲線對應(yīng)于韌性很差的材料或者厚度很大的試樣，裂紋沒有緩慢擴展過PmaxPQ值；第II類曲線對應(yīng)于韌性不是很差的材料或者厚度稍小的試樣，加載過，中心層處于PQP-V曲線上出現(xiàn)多個“迸發(fā)”，應(yīng)該取第一個“迸發(fā)”平臺的載荷作為PQ值。第I類曲就已經(jīng)開始擴展，P-V曲線較為光滑，沒有明顯的轉(zhuǎn)折點，這時就要根據(jù)裂紋嘴張開位移相對增量為5%這個條件來確定PQ（PQP5。P-VOA，斜率為(P/V)0O點作斜率為(P/V)5OPs，(P/V)5=0.95(P/V)0，OPsP-VP5。如果P-VP5之前沒有更大的點，則PQ=P5；如果P5之前還有超P5的最大載PQ3.6IIPQ，III類曲線就取裂紋長度a的確B/4、B/2、3B/4三個位置上分別測量裂紋長度，精確0.5%，取其平均值??作為裂紋長度。求裂紋面與B-W面平行，偏差在10以內(nèi)，否則實驗無效。有效性判斷確定了裂紋長度a和臨界載荷的條件值PQ后，便可將其代入響應(yīng)試樣的KI表達式進行計算，由此得到條件斷裂韌度KQ，至于KQ能否作為有效的KIC值，還需要檢Pmax/PQa,B2.5(K/

2)2

如果兩個條件都能滿足，則KQKIC，即實驗結(jié)30nSiNi2A鋼靜態(tài)KIC測試進行了三次，編號分別為J01、J02、J03，測試環(huán)P-V曲線為例進行說明，如圖3.7所示：3.7J01P-V從得到P-V曲線可以看出I類曲線，需要確P5值，圖中直O(jiān)B的斜率OA0.95OBPQ值。實驗完成后，再測量裂紋長度a，然后根據(jù)式（3-5）計算KQ值。三次如表3.1所示：表3.1匯總 本章小經(jīng)過驗證，實驗結(jié)果是有效可信的。30nSiNi2A鋼靜態(tài)斷裂韌性平均值為KIC＝第4章30nSiNi2A鋼動態(tài)KId測且在動態(tài)和靜態(tài)載荷作用下的斷裂有很大的不同，必須考慮慣性效應(yīng)和應(yīng)力波的基本理tf時刻對應(yīng)的應(yīng)力場強度因子KI(t)即是動態(tài)斷裂韌性KId，即：KIdKI(tf 試樣模型提出一些近似求解表達式。K.Kishimoto[42]Nash[43]級數(shù)解的基礎(chǔ)上，建立彈簧質(zhì)量模型meu(t)G(a)u(t)P(t) tu(t) P()sin(t tlme (12)PS3 W W3unc 12.85(S)0.84(S)

式中，ν為試樣材料泊松比，E為試樣材料彈性模量，I為試樣截面慣性矩。(12)PS3 auc

6SV

V(a) )25.58 a a2 a3 a4（4- W 19.57(W 36.82(W 34.94(W 12.77(W)(12)PS3 W W auuncuc 4EBW 12.85(S)0.84(S)6SV(W G(a)Pu

4EBW (12)S3 W W a

S

6SV(Wm17

式中，W為試樣寬度，B為試樣厚度，L為試樣長度，ρ為試樣材料密度。lKI(t)limr02r22(r,

u(t)[43]。因此，動態(tài)應(yīng)力場強度因子還可以表示為KI(t)式中，C為常數(shù)。對于準靜態(tài)加載情況，同樣有

3SaP Y( 2BW 式中，PS是準靜態(tài)載荷，KIS是三點彎曲試樣準靜態(tài)應(yīng)力場強度因子，Y(a/W)S/W＝4時，其表達式為1.99 a)(2.153.93a aY(a/W)

(W)(1

2.7(W)

a(1 Ps 12（4-13（-3S3S2BW

aY W

3SK(t) Y(a （4-3S 2BW 3（4-tK(t)3SaY(a t 2BW l 線彈簧模型K(t)6M N BW3/2f1(W)BW

f2

（4-2tan()0.9230.199[1sin(/2tan()0.9230.199[1sin(/2cos(/f1() 2tan()0.7522.022tan()0.7522.020.37[1sin(/2cos(/其中0≤??=??<1加載點位移近似分析法WK(t) u(t)k （4-W C()試樣跨距，C(α)為裂紋試樣的柔度，是α的一個函數(shù)：C()C0Cc 上式中，C0 24(1 C048EI k是截面剪切系數(shù)，對于矩形截面可以取k=5/6Cc(α)是考慮裂紋影響的一個參數(shù)項，表達式為C(a)1h()h()2h(

20.291.391.62 10.540.84 h2()1.1ln(1) (1)(14.742

(1)2(12.9

kβ(α)是一個無量綱函數(shù)，它與αβ相關(guān)，當(dāng)β=4時表達式為

(1)3/2(13

(1.90.410.5120.173 裂紋嘴張開位移近似分析法K(t)EWM(t)k( 4aW1/2(其中kβ(α)νβ(α)均為無量綱參數(shù)，當(dāng)β=4時，表達式分別為k() (1)3/2(13

(1.90.410.5120.173

()0.762.283.8722.043 (1

試樣形狀、尺寸實驗裝桿進行改造，采用改造后的Hopkinson壓桿對試樣進行動態(tài)加載?，F(xiàn)有的分離式Hopkinson壓桿裝置如圖4.1所示： 4.1Hopkinson壓桿（SHPB）其主要包括加載系統(tǒng)（、入射桿、透射桿、吸收桿等、系統(tǒng)和數(shù)改造，改造后的Hopkinson壓桿裝置如圖4.2所示：支撐波 波 4.2Hopkinson改造之后的Hopkinson壓桿裝置只采用一個沖擊桿對試樣進行沖擊加載，且入射入射桿的設(shè)計長度的選擇。作為單桿加載，入射桿的長度不易過長，以免沖擊過發(fā)文設(shè)計選擇入射桿的長度為1200mm，并設(shè)計加工一長度為200mm的。直徑的選擇。入射桿以及直徑的選擇主要考慮兩方面因素：①原Hopkinson壓桿裝置氣室出口的尺寸；②三點彎曲試樣的厚度?，F(xiàn)有的20mm，要保證試樣沿厚度方向的一條線能夠與桿20mm。綜合考慮這兩個因素，最終設(shè)計選定入射桿和的直徑為20mm。形頭的空槍及加試樣試驗，發(fā)現(xiàn)楔形頭沿桿長度方向越長，反射早，起裂時間越頭設(shè)計尺寸如圖4.3所示：4.3支撐裝置的設(shè)計4.4所示。主要由兩個支撐柱、兩個立柱、一塊立板、三塊固mm4.4應(yīng)變片的使用上的載荷P(t)：P(t)EA[I(t)R(t)] 式中，E、A分別為入射桿的彈性模量和橫截面積。試樣上的粘貼方法有兩種，即垂直于裂尖和與裂60°角方向粘貼（圖4.5。一些 4.55023mm位置。已粘貼電阻應(yīng)變片的試樣如圖4.6所示。4.6實驗結(jié)果處理和分40Cr材料的驗證對比實驗，用來4.7方向上，在三個等間隔位置上測量試樣厚度B，取其平均值；B/4、B/2、3B/4三個位置上測量裂紋長度，取5%，試驗視為無效。裂紋面要與B-W平面平行，誤差不得超過10；間即是起裂時間tf：tftmaxl/ (B/2)2(B/2)2r式中，tmax為應(yīng)變最大時刻，l為應(yīng)變片距裂紋中心的距離，r為應(yīng)變片距試樣表面裂尖的距離，c為該試樣材料中的彈性波速，為5184m/s。40Cr材料試樣驗證實驗0.2MPa的情況下已經(jīng)足以使兩種材料發(fā)生完0.2MPa的情況下完成了三次驗證實驗。以其中一次實驗為例，實驗中由數(shù)字示波器得到的波形圖如圖4.8所示。圖4.9表示的是試樣上的試樣動態(tài)應(yīng)力強度因子隨時間變化中起裂時刻tf對應(yīng)的KI(tf)即是材料的動態(tài)斷裂韌性值。表4.1為40Cr材料驗證實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果。圖4.8示波器到的波形圖4.9驗證002試樣起裂時間 圖4.10驗證002試樣動態(tài)應(yīng)力強度因子曲4.140Cr??I/3106MPa·m4.1中所示的實驗結(jié)果重復(fù)性和穩(wěn)定性都比40Cr材料動態(tài)斷裂第一組實驗結(jié)果及分析0.2MPa，試樣編號分別為、、，圖4.11所示為003號試樣加載時的入射應(yīng)變信號波形圖。4.12是003號試樣計算得到的載荷隨時間變化的曲線圖，圖中Pm為試樣上最大載荷，tm為最大載荷對應(yīng)時間，tf為起 圖4.11003試樣入射波信 圖4.12003試樣上載荷時間曲圖4.13003試樣起裂時間 圖4.14003試樣動態(tài)應(yīng)力強度因子曲試樣的平均動態(tài)斷裂韌性KId＝45.46MPa·m1/2。第二組實驗結(jié)果及分析第二組實驗氣室壓力選擇為0.25MPa，試樣編號分別為、、，圖4.15所示004號試樣加載時的入射應(yīng)變信號波形圖。圖4.16是004號試樣計算得到的載荷隨時間變化的曲線圖，圖中Pm為試樣上最大載荷，tm為最大載荷對應(yīng)時間，tf為起片測得的應(yīng)變信號及起裂時間的確定。圖4.18是計算得到004試樣動態(tài)應(yīng)力強度因子隨時間變化曲線，圖中起裂時刻tf對應(yīng)的KI(tf)即是材料的動態(tài)斷裂韌性值。表4.3圖4.15004試樣入射波信 圖4.16004試樣上載荷時間曲圖4.17004試樣起裂時間 圖4.18004試樣動態(tài)應(yīng)力強度因子曲Pm的時4.3所示的實驗結(jié)果重復(fù)性和穩(wěn)定性也比較好，實驗結(jié)果是可行有效的。第二tf＝60.7s，平均加載速率????=1.043106MPa·m1/2/s在此加載率下試樣的平均動態(tài)斷裂韌性KId＝63.05MPa·m1/2。實驗中高速攝影結(jié)果分析本文利用高速攝影對實驗過試樣與支架、試樣與入射桿之間是否脫離接觸進行了研究，同時也嘗試運用高速攝影技術(shù)來確定起裂時間。現(xiàn)以001003號實驗為 4.19001圖4.19是001號實驗高速攝影截圖，四張之間時間間隔均為1/1200s。圖I圖III時刻試樣位移繼續(xù)增加；圖IV時刻試樣已經(jīng)完全斷裂。觀察對比可知，在試樣 4.20003圖4.20是003號實驗高速攝影截圖，四張之間時間間隔均為1/6000s。圖IIII時刻試樣斷裂繼續(xù)加劇，而且試樣與入射桿已經(jīng)出現(xiàn)脫離IV時刻試樣與入射桿之間的脫離現(xiàn)象已經(jīng)比較明顯。試樣與入射桿在短暫4.206000f/s1/6000s，也就是說拍攝到的前后兩要更強的光線要求，目前所具備的強光設(shè)備已經(jīng)這方面要求。兩組實驗結(jié)果對比分析4.2130nSiNi2AKId隨加載率??I增加而明顯增大，說明30nSiNi2A鋼動態(tài)斷裂韌性與加載率的相關(guān)性比較明顯。4.2130nSiNi2A桿上的反射波總是出現(xiàn)兩個波峰夾著一個波谷的情況。實驗過入射桿撞擊試樣，試樣開始運動，入射桿受到阻力作用，試樣速度大于入射桿的速度，本章?。?）在氣室壓力為0.2MPa時，平均起裂時間tf＝60.9s在氣室壓力為0.25MPa時，平均起裂時間tf＝60.7s實驗系統(tǒng)的有效性，是有效可靠的。 第5章30nSiNi2A鋼斷裂性能分靜態(tài)和動態(tài)斷裂韌性對比分KIdKIC不同，動態(tài)KIdT影響。動態(tài)加載條件下影響T的情況下，Kalthoff[56]提出材料斷裂性隨加載速率的變化存在如圖5.1所示的三種情況：5.1本文中對30nSiNi2A鋼三點彎曲試樣進行的靜態(tài)斷裂韌性實驗得到其靜態(tài)斷裂韌性值KIC＝96.87MPa·m1/2對30nSiNi2A鋼動態(tài)加載條件下的實驗結(jié)果進行對比，可看出該材料動態(tài)斷斷口形貌分1010萬倍之間變化，便于對試樣細節(jié)進行觀察；可以進行三維形貌觀察，圖像立體感強；對樣品要求簡單，可直接無損觀察實物樣品；與能譜議、俄歇譜儀、電子探針等儀器配7。動態(tài)拉伸試樣斷口分析5.2是動態(tài)拉伸實驗后斷裂的試樣對原試樣對比圖。從宏觀上看，試樣在拉伸作用下斷裂后發(fā)生了頸縮，斷裂與主拉伸應(yīng)力方向也近似為45°角。5.2圖5.3是選取的動態(tài)拉伸10#試樣電鏡掃描斷口形貌圖。從50倍的宏觀圖上可以斷口中心部位進行300倍和1000倍放大掃描同時觀察到了棱和解理面的存在，圖5.4是斷口2000倍電鏡掃描形貌圖。宏觀上斷口比中心部位要平坦，微觀上與中心部位相比，韌窩的大小和深度相對極小，棱變得不太明顯，而解理 (c)圖5.4動態(tài)拉伸斷口32000形貌45°的小“山峰”；當(dāng)裂紋擴展到一定程度后，45斷裂韌性實驗試樣斷口分析5.5是靜態(tài)（左）和動態(tài)（中和右）斷裂韌性實驗后回收試樣斷面對比圖。試5.65.5所示的左和中試樣預(yù)制疲表面要比受載荷形成的裂紋表面平坦，而靜態(tài)加載條件（圖5.6左）要比動態(tài)（圖5.6掃描對比，但從宏觀上也可以看出，同樣是動態(tài)加載條件，加載速率較高時（圖5.7所示是預(yù)制疲勞裂紋微觀形貌圖。圖(a)為線切割裂縫與預(yù)制疲勞裂紋交界處3200微觀形貌，圖中較亮的圓球是未清理干凈的冷卻油小顆粒。圖(b)為預(yù)制疲勞裂紋31000微觀形貌。由于本文預(yù)制疲勞裂紋采用的5.75.8示斷口1、2、3處掃描電鏡放大200倍的效果圖。圖中(b)的下半部分呈現(xiàn)出略顯弧形()d射花樣的形貌，并沒有出現(xiàn)二次纖維區(qū)，由此可以看出30nSN2A鋼的塑性并不是特別好。圖中()、()1、2500明30SNiA鋼在溫靜加條件的裂也準 (b1區(qū)(c)2區(qū) (d)3區(qū)(e)1區(qū) (f)2區(qū)5.9靜態(tài)斷裂韌性J035.10001#試樣斷口形貌圖，平均加載速率為??I=0.753106MPa·m1/2/s。圖中(b)、(c)、(d)分別為(a)1、2、3處掃描200倍的效果圖，在這三幅圖中均已出現(xiàn)放射狀花樣，尤其(c)中最為明顯，放射區(qū)，這再一次反映了30nSiNi2A鋼的塑性并不是特別好。圖中(e)、(f)分別為試樣上1、2處放大500倍效果圖。從圖中也可以看到明顯的棱和解理小平面，5.9中對應(yīng)位置的掃描結(jié)果相比，韌窩的尺寸變大，深度變淺，解理平面也更明顯，表明30nSiNi2A鋼在此種加載條件下的動態(tài)斷裂也是準解理斷裂。 (b1區(qū)(c)2區(qū) (d)3區(qū)(e)1區(qū) (f)2區(qū)455.11部分清晰度較好。從圖中可以觀察到，韌窩尺寸較小，棱比較明顯，而且有一些 5.115.12005#試樣斷口形貌圖，平均加載速率為??I=1.043106Pa1/2/。圖中(b)、(c)、(d)分別為(a)1、2、3處掃描糙不平，起伏較大，放射花樣依然比較明顯，仍然呈現(xiàn)棱和解理小平面共存的斷 (b1區(qū)2區(qū) (d)3區(qū)都呈現(xiàn)出棱和解理小平面，30nSiNi2A鋼在常溫下的斷裂表現(xiàn)為準解理斷裂本章小也隨之增大，與動態(tài)拉伸強度隨應(yīng)變率升高面增加不謀而合，體現(xiàn)了30在常溫下的斷裂主要表現(xiàn)為解理平面和棱共存的特征，屬于準解理斷裂。6方面對30nSiNi2A鋼的斷裂性能進行了研究。成果結(jié)（1）利用SHTB加載技術(shù)進行的30nSiNi2A鋼動態(tài)拉伸實驗結(jié)果表明，該（2）選取GB4161-1984中規(guī)定的三點彎曲試樣，利用萬能試驗機對30nSiNi2A鋼進行了三次靜態(tài)斷裂韌性實驗，得到其靜態(tài)斷裂韌性值96.87MPa·m1/2分析三點彎曲試樣動態(tài)斷裂韌性測試原理，對現(xiàn)有分離式Hopkinson壓桿設(shè)備進行改造，建立了Hopkinson壓桿測試材料動態(tài)斷裂韌性系統(tǒng)。40Cr材料的動態(tài)斷裂韌性，與其他學(xué)者的結(jié)果進行對比，證實利用本文建立起的Hopkinson壓桿系統(tǒng)測試了30nSiNi2A鋼的動態(tài)斷裂韌性。平均加載速率??I=0.753106MPa·m1/2/stf＝60.9s，平均KId＝45.46MPa·m1/2；平均加載速率??I=1.043106MPa·m1/2/s時，平均展 ,.30 nSiA和30nSiNi2A鋼溫淬火組織與性能的研究[J].材料工[2],朱金華,.金屬材料拉伸的高應(yīng)變率增塑現(xiàn)象及分析[J].材料研究學(xué)報.[3]興.強度鋼 nSiNi2A沖擊韌性值的探討.科技成果2學(xué)術(shù)[4].30nSiNi2A鋼等溫淬火性能的研究[J].山西機械[5],.30 nSiNi2A低合金鋼裂紋擴展特性統(tǒng)計分析[J].理化檢驗2物理分[6].回火溫度對 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