06斷裂韌性的測(cè)試原理詳解

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1、Fracture Mechanics Pirate Captain 第六章斷裂韌性的測(cè)試原理 齊俊林 斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1.材料性能的測(cè)試，即材料破壞與裂紋擴(kuò)展的內(nèi) 在條件。例如，平面醱斷裂韌度、臨界張開 位移、臨界J積分、疲勞褻紋擴(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。 「瞪騎總辭驢盤農(nóng)的讖翳 頭驗(yàn)標(biāo)走等。 3?理論探索和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。例如，壓力容器與管 勰驀寸爆破試驗(yàn)、大型焊接結(jié)構(gòu)接頭的斷 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?# Related specifications BS 7448 Parts 1-

2、4 Fracture Mechanics Toughness Tests BS 6729 Determination of the Dynamic Fracture Toughness of Metallic Materials BS 7910 Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures ASTM E399-09 Standard Test Method for Plane Strain Fracture Toughness of Metallic Materia

3、ls ASTM El290-09 Standard Test Method for Crack-Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture Toughness Measurement ASTM El 820-09 Standard Test Method for Measurement for Fracture Toughness ASTM El823-09 Technology Relating to Fatigue and Fracture Testing ASTM El921-09 Standard Test Method for

4、Determination of Reference Temperature, TO, for Ferritic Steels in the Transition Range Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?5 Related specifications ?GB 4161-1984 金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度Ki。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he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, 20

5、10 斷裂韌性的測(cè)試原理 G的力學(xué)標(biāo)定 G=Ap2( 多試件法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?7 制備一組試樣使其具有 相同的外形尺寸，但其 中的裂紋長(zhǎng)度各不相同 O在彈性范圍內(nèi)作岀每 個(gè)試樣的載荷-位移（曲 線。 Kylinsoft, 2010 9-5不同裂紋長(zhǎng)度的Pd關(guān)系 斷裂韌性的測(cè)試原理?yè)e 分別以柔度與裂紋長(zhǎng)度 為坐標(biāo)軸作出柔度-裂 紋長(zhǎng)度的關(guān)系曲線。 Kylinsoft, 2010 ao a\ az an a

6、 裂紋長(zhǎng)度Q與 柔度c的關(guān)系 斷裂韌性的測(cè)試原理-9 在圖解法中常將柔度表 達(dá)式改寫成無(wú)量綱形式 EG、 E d(BC) Kylinsoft, 2010 9-7 G】的標(biāo)定曲線 斷裂韌性的測(cè)試原理-# 二平面應(yīng)變斷裂韌性Kb的測(cè)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的試樣，在試樣上制備 岀相當(dāng)于缺陷的裂紋，然后對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度因子的表達(dá)式也是確定的。

7、?在加載過(guò)程中，用測(cè)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(cè)出的預(yù)制 的裂紋深度a,代入應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的表達(dá)式求出裂紋失穩(wěn) 擴(kuò)展的臨界值并記為％。 ?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(cè)岀材料的Kq值。 2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 ) ?

8、 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 斷裂韌性的測(cè)試原理-13 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-# SENB Specimen (C) C型拉伸畤 (d)閥型緊湊拉伸試樣 ^;“「卜si Fl卜9.0 卜 i -4wo —? Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)

9、試原理-# (d) (e) Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理」3 Kylinsoft, 2010 —] r . 1000 mm LVDTs ■ ■ i JI r I…一 I u 7- 80mm LVDTs p ? AE sensors CMOD clip gauge c ? 「Notch 一 , ,UJUIOOE

10、 1500 mm 斷裂韌性的測(cè)試原理-# 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) SENB Specimen F/2 F/2 緊湊拉伸試樣CT ?緊湊拉伸試樣則有節(jié)省材料的好處 CT Specimen 7—w ■ F C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 斷裂韌性的測(cè)試原理-17 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-# cX>25K> W 2X00.25 護(hù) （⑴圓

11、型緊凌拉伸試樣 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-19 圖4-4試樣裂紋面取向的標(biāo)記 (a〉矩形斷裂面板材中裂紋面取向的標(biāo)注； (b)棒材及圓餅中裂紋面取向的標(biāo)注； (C)試樣與兩個(gè)參考軸成傾斜角度時(shí)製紋面取向標(biāo)注 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 擴(kuò)展方向 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-# 軋制方向 Kylinsoft, 2010

12、 斷裂韌性的測(cè)試原理J9 試樣尺寸 ?尺寸相對(duì)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) 變及小范圍屈服的力學(xué)條件時(shí)，才能獲得該材料的穩(wěn)定的K】c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(zhǎng)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。 小，既能影響小范圍

13、屈服，又能影響包圍塑性區(qū)的廣 大彈性范圍的大小。 B 2> 5 a》50ry = 2? 5 W ~a Thickness, B ?ss ① ugnolQ)」nloe」LL 表12-1試樣最小的B.a推薦值(mm) ajE 0. 0057 0. 0062 0. 0065 0. 0068 0. 0071 0. 0075 0- 0080 0. 0085 0. 0100 0. 0062 0. 0065 0. 0068 0. 0071 0- 0075 0. 0080 0. 0085 0> 0100 B^a 63 50 44 38 32 25 20 12- 5 6.5

14、 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)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(zhǎng)度a應(yīng)在0.45? 0.55W之間。 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-# 3試驗(yàn)方法 位移傳感器 4,記錄儀 12-2用三點(diǎn)彎曲方法測(cè)定K“裝量圖

15、 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-23 緊湊拉伸試樣 拉伸卡具 銷釘 ?>?令$.?。簚 緊湊拉伸試驗(yàn) Kylinsoft, 2010 /載荷傳感器 斷裂韌性的測(cè)試原理-23

16、 確定臨界載荷Pq 過(guò)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二匕，如 圖12-3（c）中曲線III中即為這種情形；如果在交點(diǎn)P5以前在曲線 上還有大于卩5的載荷，則取其中最高的載荷為卩5，如圖（a）、（b）中 曲線I, II就屬手這和情形。 (a) (b) (c)  確定裂紋長(zhǎng)度3 B v V \/AB ?斷口形貌觀察。在斷裂 的試樣斷口上，用

17、放大 倍數(shù)為30?50的測(cè)量顯 微鏡或工具顯微鏡測(cè)量 裂紋的長(zhǎng)度。因?yàn)橐话?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(cè)量 ,取其平均值作為有效 裂紋長(zhǎng)度。 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-25 4試驗(yàn)結(jié)果的處理 (1)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn) K = —fl — 1 BWmJ \ W] f[皂)_3(4/爐#[1? 99-a/U9(l-4/WO(2? 15 — 3? 934/W+2. 7，/1滬)] Wf 2(l + 2a/WO(l-a/W)3" Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-27 4試驗(yàn)結(jié)果的處理

18、 (2)緊湊拉伸試驗(yàn) Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?# 4試驗(yàn)結(jié)果的處理 (2)緊湊拉伸試驗(yàn) Kq = a軋2了(罰 制(0. 886 + 4. 64 畚一13. 32 (2 + ； 匍+ 14. 72 5-6(#)) Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?# 4試驗(yàn)結(jié)果的處理 (2)緊湊拉伸試驗(yàn) Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?# 4試驗(yàn)結(jié)果的處理 (2)緊湊拉伸試驗(yàn) 12-2緊凄拉伸試驗(yàn)fd/WO值

19、 a/W 血/UO a!W /(d/lF) 0. 450 8. 34 0? 500 9. 66 0.455 8.46 0. 50S 9.81 0.460 & 58 0>510 9.96 0.465 & 70 0.515 10.12 0. 470 & 83 0. 520 10. 29 0. 475 & 96 0. 525 10. 54 0- 480 9?09 0. 530 10. 63 0. 485 9. 23 0. 535 10. 80 0< 490 9.37 0. 540 10. 98 0.495 9. 51

20、 0. 545 11.17 0. 550 11.36 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?29 4試驗(yàn)結(jié)果的處理 (3) C形拉伸試驗(yàn) Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-# 4試驗(yàn)結(jié)果的處理 (3) C形拉伸試驗(yàn) K->^+L9+L 1+ 0.25（l—畚）（1- n 廠2 3. 74- 6-30 ^ + 6.32 w -Z43（紆） Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-# 4試驗(yàn)結(jié)果的處理

21、(4)圓形緊湊拉伸試驗(yàn) Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-31 4試驗(yàn)結(jié)果的處理 (4)圓形緊湊拉伸試驗(yàn) 式中 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-# 5 Kq的有效性檢驗(yàn) (1)厚度判斷 EN2.5 (2)載荷比判據(jù)  Plane stress vs. Plane strain Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-33 Table 4.1 Typical

22、values of fracture toughness Material ! 1 j ?- 一-…-―4 Youngs modulus E (GPa) -7 Yield stress i (MPa) Toughness Kic (MPa ) Thickness requirement 2.5 (K“/b J(mm) ! Steels 210 1 j medium carbon 260 54 108 \ pressure vessel 470 208 489.6 high strength alloy 1460

23、 98 11 ]AFC 77 stainless 1530 83 7.4 ? ■ i fl 0 [Aluminium alloys 72 ?--- - j 2024 T8 420 27 10.4 ! 7075 T6 540 30 7.9 1 7178 T6 560 23 4.2 I i Titanium alloys 108 ? i T1-6A1-4V 1060 73 12.6 j (high yield) 1100 38 3.1 廠 — \ Comparative da

24、ta r Concrete …45一 一 80 0.2-1.4 [Ice 9.1 85 0.2* Epoxy 2-3 30-60 0.5-3 j Boron fibre 441 3000 1 Carbon fibre 250-390 2200-2700 Boron/epoxy composite 220-340 725-1730 46 1 CFRP 70-200 300-1400 32-45 GFRP 38 100-300 20-60 ■ ■ ■ ? ******* ?* MB

25、1. ? > ■ r ? r< ■ i r ■ ■ r wr - r ~ jw< g 9 ? . ? 4 ? not at room temperature ! Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-# 6利用小試件測(cè)定Kic Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-35 表4-3 幾種國(guó)產(chǎn)材料在常溫下的K-值 材 料 熱處理狀態(tài) 遙浚指標(biāo)MPa Kjc MN/mT 主要用途 <^0.2 40鋼 860X正火 294 549 70.7 - 71.9 軸発 45飭 正 火 皿=32.3 804 1

26、01 軸矣 3O€r2 MoV 940七空冷680七 回火 549 686 140- 155 大魁汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子 34CrNijMO 839加熱 780七預(yù)冷淬油 WOP回火 539 716 121~ 138 大33發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)于 4O€rNiMoA *609淬油200P回火 1 579 1 942 42.2 860X淬油380弋回火 1 383 1 491 63.3 860弋淬油430P回火 1 334 1 393 90.0 14MnMoNbB 920弋淬水620P空冷 834 883 152 一 166 圧力容貉 !4

27、SiMnCrNiMoV 930X淬火6109回火 834 873 82.8 - 88.1 商壓空代瓶 18MnMoNiCr 880X8小時(shí)空冷 660X 8小時(shí)空冷 490 276 厚眾壓力容器 KJSiMniMoVA 900^淬油250P回火 1 216 1 431 113 石油鉆機(jī)吊貝 ISMnMoVCu 鑄 鋼 520 677 38.3-74.4 水輪機(jī)葉片 SOCrMnSiNijA 890%：加熱3009籌溫 1 393 80.3 航空用鋼 3OCrMnCrMo 930X淬火520%：回火 1 138 ~ 1 167

28、 1 265- 1 314 163 - 164 艦艇用鋼板 45MnSiV 900%：淬火 44OX 火 1 471 1 648 83.7 預(yù)應(yīng)力鋼筋 稀土鏤球餃 9209加熱硝鹽淬火38OP回火 1 304 35.7 - 38.8 軸類 鉗球鐵 正 火 34.1 * 35.7 內(nèi)燃機(jī)車曲軸 510 ~ 62 8S3 - 1 040 37.2-48.4 SOkg/m鋼軌 稀土球鐵 88OX1JUMV 310%：等 ifl HRC b 38 ~ 42 49.6-52.7 | 軸類 三裂紋頂端張開位移0 c的測(cè)試原理 有

29、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Q的原理與方法。 使用三點(diǎn)彎曲試樣，其外形與Km試樣相似，制備方法也相同。 FIGURE 3.5 The hinge model for estimating CTOD from three-point bend specimens? 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—般取工件實(shí)際厚度，對(duì)試樣寬度W及裂紋長(zhǎng) 度有如表12?3的規(guī)定，加載跨距S=4W。 a 12 3三點(diǎn)彎曲試樣尺寸 W=B W=1.2B W^2B 0. 25W WO. 3

30、5W 0. 35lV

31、Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-41 CTOD試驗(yàn)中的三類P?V曲線 匕 Ve 圖12-5 COD試驗(yàn)中的三類P-卩曲線 V Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-# 聲發(fā)射法確定啟裂點(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(cè)頭 o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 聲發(fā)射法的裝置原理簡(jiǎn)圖示于右。試樣內(nèi)啟裂時(shí)發(fā)出 的聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)探頭感受后，由

32、前置放大器再經(jīng)聲發(fā) 射測(cè)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(hào)，從而可繪岀S■△曲 0 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?45 1 一未氧化新斷口； 2—裂紋擴(kuò)展斷口; 3—預(yù)制疲勞裂紋；4一線切割切口。 確定啟裂點(diǎn) ?氧化發(fā)藍(lán)法可用來(lái)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 曲線上甚點(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

33、，故通過(guò)金 相顯微鏡觀察，很容易測(cè)出裂紋 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-# （一）單試樣法 四Jic的測(cè)試原理 用于J積分測(cè)定的有 單試樣法、 多試樣法、 阻力曲線法等。 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?47 （一）單試樣法 ?使用三點(diǎn)彎曲試樣，其外形與de試樣相 似，制備方法也相同。 ?試樣尺寸 ?測(cè)定J[c時(shí)臨界點(diǎn)的確定方法，和測(cè)定臨 界CTOD—樣，可通過(guò)電位法、電阻法、 聲發(fā)射法、氧化發(fā)藍(lán)法等。 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?49 （一）單試樣法

34、 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?# （一）單試樣法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?# （一）單試樣法 = Je + Jp Je = G I — ] E "-K： j = 24 p_BOV_q) Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?# （二）多試樣法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-46 （二）多試樣法 9) (6) (C) 3)

35、 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-46 （二）多試樣法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-46 （二）多試樣法 圖4-14多試樣標(biāo)定丿的流程圖 （a）具有不同裂紋長(zhǎng)度的試樣外形；（b）各試樣的F-4曲線; Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-46 （二）多試樣法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-46 （二）多試樣法 （c）給定位移下的昔 ~a曲線；（d）不同裂紋長(zhǎng)度下的丿-△曲線。 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理-46 （三）阻力曲線法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測(cè)試原理?47 P215-1 Kylinsoft, 2010 作業(yè) 斷裂韌性的測(cè)試原理?#