斷裂韌性實驗報告

1、斷裂韌性測試實驗報告隨著斷裂力學的發(fā)展，相繼提出了材料的K、JJ阻力曲線）、5（CTOD阻力曲線）等一ICRR些新的力學性能指標，彌補了常規(guī)試驗方法的不足，為工程應用提供了可靠的斷裂判據(jù)和設(shè)計依據(jù)。下面介紹下這幾種方法的測試原理及試驗方法。1、三種斷裂韌性參數(shù)的測試方法簡介1.1平面應變斷裂韌度K的測試IC對于線彈性或小范圍的I型裂紋試樣，裂紋尖端附近的應力應變狀態(tài)完全由應力強度因子K所決定。K是外載荷P，裂紋長度a及試樣幾何形狀的函數(shù)。在平面應變狀態(tài)下，當P和aII的某一組合使K=K，裂紋開始失穩(wěn)擴展。K的臨界值K是一材料常數(shù)，稱為平面應變斷IICIIC裂韌度。測試K保持裂紋長度a為定值，而

2、令載荷逐漸增加使裂紋達到臨界狀態(tài)，將此時的ICP、a代入所用試樣的K表達式即可求得K。CIICK的試驗步驟一般包括：IC（1）試樣的選擇和準備（包括試樣類型選擇、試樣尺寸確定、試樣方位選擇、試樣加工及疲勞預制裂紋等）；（2）斷裂試驗；（3）試驗結(jié)果的處理（包括裂紋長度a的測量、條件臨界荷載P的確定、實驗測試值K的QQ計算及K有效性的判斷）。Q1.2延性斷裂韌度j的測試RJ積分延性斷裂韌度是彈塑性裂紋試樣受I型載荷時，裂紋端點附近區(qū)域應力應變場強度力學參量J積分的某些特征值。測試J積分的根據(jù)是J積分與形變功之間的關(guān)系：1-1)dUBda其中U為外界對試樣所作形變功，包括彈性功和塑性功兩部分，a為

3、裂紋長度，B為試樣厚度。J積分測試有單試樣法和多試驗法之分，其中多試樣法又分為柔度標定法和阻力曲線法。但無論是單試樣法還是多試樣柔度標定法，都須先確定啟裂點，而困難正在于此。因此，我國GB2038-80標準中規(guī)定采用繪制J阻力曲線來確定金屬材料的延性斷裂韌度。這是一種多試R樣法，其優(yōu)點是無須判定啟裂點，且能達到較高的試驗精度。這種方法能同時得到幾個/積分值，滿足工程實際的不同需要。所謂J阻力曲線，是指相應于某一裂紋真實擴展量的J積分值與該真實裂紋擴展量的關(guān)R系曲線。標準規(guī)定測定一條J阻力曲線至少需要5個有效試驗點，故一般要58件試樣。把R按規(guī)定加工并預制裂紋的試樣加載，記錄P-A曲線，并適當掌

4、握停機點以使各試樣產(chǎn)生不同的裂紋擴展量（但最大擴展量不超過0.5mm）。測試各試樣裂紋擴展量Aa，計算相應的J積分，對試驗數(shù)據(jù)作回歸處理得到J曲線。J阻力曲線的位置高低和斜率大小代表了材料對于RR啟裂和亞臨界擴展的抗力強弱。J阻力曲線法測試步驟一般包括：R（1）試樣準備試樣尺寸的選擇原則：1）平面應變條件：標準規(guī)定1-2)Ba(J/c)0.05s其中50aJ，當不易估計W-a時，可用B/（W-a）1.4求出（W-a）的估計值R0.05疲勞預制裂紋：為了保證得到尖端而平直的裂紋，同時考慮到J積分試驗對象大多是中、低強度材料，所使用的疲勞載荷不能超過試樣屈服載荷，以免發(fā)生撓曲塑性變形。（2）斷裂實

5、驗加載斷裂試驗可在各種普通材料試驗機上進行。試樣的裝卡方式與三點彎曲試樣彎曲試樣測試K時相似。正式加載前，先用低于啟裂載荷之值預加載兩次，以使各裝卡位置接觸良IC好。然后按一定速度正式加載，同時記錄P-A曲線。在產(chǎn)生預定裂紋擴展量Aa之后卸載停機，取下試樣，用適當?shù)姆椒?，如氧化著色法，二次疲勞等使裂端擴展前緣留印后壓斷。注意二次疲勞時不得P超過極限載荷P，以免裂端形貌發(fā)生奇變.fmaxL（3）試驗結(jié)果處理（包括裂紋長度a的測量、裂紋擴展量Aa的測量、J值計算及J曲線RR的繪制和J積分特征值的確定等）。1.3CTOD的測試我國國家標準GB2358-94包括單試樣法和CTOD阻力曲線法。單試樣法是

6、參照英國標準學會DD-19所規(guī)定的方法來測定CTOD（簡稱5），所測結(jié)果為啟裂點的裂端張開位移。而5R阻力曲線與J阻力曲線方法類似。所謂5阻力曲線是指相應于某一裂紋擴展量的5值與裂紋RR擴展量Aa的關(guān)系曲線，它不但能提供啟裂抗力5,而且能同時得到幾個cod特征值，以滿足i不同條件的需要。5曲線本身也描述了材料啟裂后裂紋擴展阻力的變化規(guī)律，這在評定材料R和工藝質(zhì)量及安全分析方面有著重要意義。同時，求作6Q曲線可以省去確定啟裂點的步驟，R這是6曲線法優(yōu)越的方面。R通過試驗直接準確地測得裂紋尖端張開位移(CTOD)值非常困難,且其定義還沒有統(tǒng)一。試驗中,一般采用三點彎曲試樣的變形幾何關(guān)系,由裂紋嘴張

7、開位移去換算并求得CTOD值6。以三點彎曲為例,參見圖1.1圖1.1COTD試驗原理圖圖中W為三點彎曲試樣的寬度，a為裂紋長度(包括線切割的和預制疲勞裂紋長度),(W-a)為韌帶寬度,刀口被用來安裝夾式電子引伸計,z為刀口厚度。V為裂紋嘴張開位移塑性部分。原裂紋尖端處張開位移的塑性部分記為6。假設(shè)在塑性變形過程中,裂紋表面繞O點作剛體轉(zhuǎn)動。rp稱為轉(zhuǎn)動因子，指在試樣塑性變形時旋轉(zhuǎn)中心到原裂紋尖端的距離與韌帶寬度(W-a)的比值。假設(shè)三角形AOBB與三角形AOFF相似(塑性三角形假說),則：Vr(W-a)+a+z(11)PP006r(W-a)pp0即有：r(W-a)(1-2)6poVpr(W-a

8、)+a+zPp00彈塑性情況下，6可由彈性的6和塑性的6兩部分組成，即：ep(1-3)5=5+5pe彈性部分5為對應于載荷P的裂紋尖端彈性張開位移,在平面應變情況下，對三點彎曲試樣,emax有：PSBW12(1-4)=5+5epk2)k2+2gEIsr(W-a)p0r(W-a)+a+zp00(1-5)則原裂紋尖端張開位移5為:w測試COD的標準試樣是三點彎曲試樣，其形狀同K試樣。多試樣法所用試樣個數(shù)同樣IC為58個，試驗過程中使各個試樣加載到不同裂紋擴展量Aa后停機，測出停機時的荷載P與位移V，代入公式（1-6）PK2k2+2gEis(1-6)r(W-a)p0r(W-a)+a+zp00同樣對于

9、三點彎曲試樣，BS7448系列規(guī)范建議取r=0.4，規(guī)范GB/T23581994建議取pr=0.44,規(guī)范JB/T42911999建議取介r=0.45,而國家標準最近修正為r=0.40同國際標準ppp及英國系列標準一樣。本報告按國家標準GB2358-94規(guī)定rP取0.44。以上各式中:P為載荷;S為試樣跨距;B為試樣厚度;S為跨距;E為材料的彈性模量；b為材料的s屈服強度；卩為材料的泊松比；r稱為轉(zhuǎn)動因子，V為裂紋嘴張開位移塑性部分。pp由此，可得該試樣停機時的5，這個5就是對應該裂紋擴展量Aa時的裂紋擴展阻力，記為5。對每個試樣可以得到一對（5，Aa），58個試樣可描繪一條5Aa曲線，此曲線

10、即RRR為5曲線。R5曲線測試的一般步驟（與J阻力曲線測試類似）為：RR1)試樣制備(包括試樣尺寸、疲勞預制裂紋)；(2) 斷裂實驗(記錄PV曲線)；(3) 試驗結(jié)果處理(包括數(shù)據(jù)處理和計算5特征值等)。R2、平面應變斷裂韌度COD的測試2.1試樣的選擇與準備(1)試樣類型規(guī)范推薦采用三點彎曲試樣見圖。試樣類型的選用原則是根據(jù)材料來源、加工條件、試驗設(shè)備以及試驗目的的綜合考慮。I12.1WII圖2.1直3點彎曲(2)試樣尺寸標準規(guī)定了三種標準試樣，并建議盡量采用厚度與實際構(gòu)件相同的所謂全厚試樣，以使試樣裂端與實際構(gòu)件處于相同的約束條件。這三種試樣的主要尺寸關(guān)系為：W=2B0.45Wa0.55W

11、S=4WW=2B0.25Wa0.35WS=4WW=1.2B0.35Wa0.45WS=4W其中W為高度，B為厚度，a為裂紋長度，包括機加工切口和疲勞裂紋長度之和，S為跨距。前兩種試樣用于工程結(jié)構(gòu)安全評定試驗，第三種試樣用于對材料和工藝質(zhì)量進行相對評定試驗。(3)試樣方位選擇金屬材料一般都具有明顯的宏觀各向異性，這是各種加工制造過程給材料內(nèi)部化學成分、顯微組織的分布所帶來的方向性的結(jié)果。試樣方位選擇應視試驗目的和要求而定，例如要評估實際工件的K,就要模仿實際工件的加載及裂縫擴展方向。IC(4) 試樣加工試樣加工時,應特別注意使最后磨削條痕方向垂直于裂紋擴展方向,至少不要使兩者平行。磨削之后就要開切

12、口,目前普遍采用鉬絲線切割。(5) 疲勞預制裂紋預制裂紋都在疲勞試驗機上完成。要避免裂紋尖端因荷載過高產(chǎn)生較大的塑性區(qū)。對于三點彎曲試樣，應使裂紋總長度a沁(0.450.55)W，其中疲勞裂紋的長度至少有1.5mm。疲勞引發(fā)裂紋時采用的最大疲勞載荷P應不大于P。maxf對于三點彎試樣P=0.5Bb2b/Sf0Yb屈服應力(屈服點ca,或屈服強度b).MPa；ys0.2b抗拉強度，MPa;bb一有效屈服強度，b=(c+b)/2,MPa;YYyb2.2.斷裂試驗步驟試驗一般在萬能材料試驗機上進行。以三點彎曲試樣為例，試樣裝置如圖2.2和圖2.3所示。圖2.2三點彎曲試驗裝置示意圖1試驗機上橫梁；2

13、支座；3試樣；4載荷傳感器5夾式引伸計；6動態(tài)應變儀；7XY函數(shù)記錄儀。圖2.3夾式引伸計構(gòu)造及安裝1試樣2刀口3引伸計把測好尺寸（B和W）的試樣按規(guī)定仔細裝夾牢固。在加載過程中，夾式引伸計和測力計得到的訊號經(jīng)過放大后輸入X-Y記錄儀，描繪出力一張開位移曲線（P-V曲線）。應該注意的有以下幾點：1）夾式引伸儀一般都應該根據(jù)標準推薦方法自行制備；2）夾式引伸儀和測力計應定期校核和標定，以保證試驗結(jié)果的可靠性（3）加載速度應保證應力強度因子的增長速率在每分鐘增長31至155MN/m3/2范圍內(nèi)，相當于0.040.2違mm/s；4）支座的軸輥要略能移動以免產(chǎn)生過大的橫向摩擦阻力影響試驗結(jié)果；（5）要

14、求斷口與試樣長度放線基本垂直，偏差不能大于100；（6）應觀察和記錄斷口宏觀形貌，剪切唇寬度與平斷口的百分比例。2.3試驗結(jié)果處理裂紋長度a的測量按圖2.4所示沿著疲勞裂紋前緣和標記出的裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)的前緣，在其間隔的9點上測量裂紋尺寸。（i=1,2,3,9）測量儀器的精度不低于0.02mm,按下式計算裂紋長度：1.a+a8、a=_(0109+a)0820ii=21.a+a丁、a=-(t9+a)82ii=2圖2.4裂縫測量示意圖注：B二(B-0.01W)/8(2)確定5在三點彎曲加載試驗所得到的PV曲線，大體有圖2.4中的幾種情形在圖2.4(a)和(b)的情況下，取脆性失穩(wěn)斷裂點或突進點所對應

15、的載荷P與位移V計算cpc5。如果失效發(fā)生在線性段附近，可按GB4161測量K。cIc在圖2.4(e)的情況下，取最大載荷點或最大載荷平臺開始點所對應的載荷P與位移V計mmp算5。m在圖2.4(c)和(d)的情況下，取脆性失穩(wěn)斷裂點或突進點所對應的載荷P與位移V，計算uup5，如果突進點是由于疲勞裂紋前緣的脆性失穩(wěn)擴展受阻引起的，則應考慮被測材料的特征。u試驗后的斷口檢驗，如最大突進裂紋擴展量已超過0.04b，可按下列步驟估汁“小突進”信0號值。1）通過最大載荷點作BC線平行于OA線。2）作BD線平行于載荷軸。3）位于0.95BD處作標記E4）作CEF線5）相應于載荷位移的突進處作標記G。6）

16、當G點位于角BCF以外時，取載荷P或P和位移V或V。計算5或5，例如圖2.5（a）。cucucu7）當G點位于角BCF以內(nèi)時.該突進點可以忽略.圖2.5（b）。在圖2.4(a)(b)和(d)的情況下，不能直接測定6值，若需要6值，可根據(jù)阻力曲線來確定。ii6的計算方法獲得必要的測量數(shù)據(jù)后，采用下列公式計算原始裂紋尖端部位的張開位R移:6K2(1-12)r(W-a)6=K2+p0V2gE1r(W一a)+a+zPsp00式中：r對一般鋼材取0.3；E對一般鋼材取2.06x105MPar塑性轉(zhuǎn)動因子，r一0.4(1+a)。pp二點彎曲試樣的a-0.1，即r一0.44。pKPYi一BW12直3點彎曲試

17、樣：0.45a/W0.05W=1.5mm不符合要求2）所有試樣的原始裂紋長度a。必須在0.45W0.55W范圍內(nèi)。a/W=12.15/30.00=0.405不符合要求。綜上本次實驗數(shù)據(jù)無效。（2）P和V的確定cpc試驗所得的P-V曲線如圖3.6所示。在試驗過程中，可以看到試件在加載后期基本沒有塑性階段，在到達疲勞裂紋后迅速發(fā)生失穩(wěn)破壞。屬于圖2.4中a）脆性破壞情況。對于得到的數(shù)據(jù)，初始階段的數(shù)據(jù)忽略，因為這段時間屬于利用液壓消除自重的環(huán)節(jié)，所以得到的位移是負值而且來回震蕩，且坐標軸的校零也有影響，沒有實際參考價值。為了獲取彈性階段的斜率，觀察曲線，可以發(fā)現(xiàn)p在0至16.OOKN之間時曲線趨于

18、直線。利用matlab程序擬合得到下圖3.8。得P=16.49KNV=7.5卩mcpc(3) 8的計算c根據(jù)以上所得數(shù)據(jù)計算COD(為了使計算能夠進行，a0/W=0.45)。根據(jù)a0/W=0.45且S=4W查規(guī)范表1得Y=9.14。試件的厚度B=14.97mm，寬度為W=30.00mmPY3K=58.12MNm-2iBW12又卩=0.3；對一般鋼材取E=2.06x105MPa；塑性轉(zhuǎn)動因子r=0.44；o=850MPa。ps計算得5=K；(1-u)k2+rp(W叩V=0.851mm2gEir(W-a)+a+zPsp00有前面可知該結(jié)果是無效的。3.7實驗總結(jié)實驗測得的COD無效，其原因很多：(1) 金屬試樣疲勞裂紋的預制存在問題導致試樣斷裂后斷口不典型。(2) 黏貼刀口存在人為誤差。(3) J只是理論上的數(shù)據(jù)，并沒有做實驗，所以J的準確度有待考究；(4) 其他因素例如冶金質(zhì)量、各向異性、晶體結(jié)構(gòu)、回火溫度、顯微結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)腐蝕等，對試驗結(jié)果造成的影響較為復雜(5) 試樣的尺寸是有影響的，跨度和寬度之比為4，寬度和厚度之比應為2，實際