06斷裂韌性的測試原理詳解

Fracture Mechanics Pirate Captain 第六章斷裂韌性的測試原理 齊俊林 斷裂力學實驗內(nèi)容 1.材料性能的測試，即材料破壞與裂紋擴展的內(nèi) 在條件。例如，平面醱斷裂韌度、臨界張開 位移、臨界J積分、疲勞褻紋擴展速率、蠕變 裂紋擴展速率、動態(tài)斷裂韌度以及應(yīng)力腐蝕臨 界應(yīng)力強度因子等。 「瞪騎總辭驢盤農(nóng)的讖翳 頭驗標走等。 3?理論探索和驗證性實驗。例如，壓力容器與管 勰驀寸爆破試驗、大型焊接結(jié)構(gòu)接頭的斷 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理?# Related specifications BS 7448 Parts 1-4 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 Materials 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 Determination of Reference Temperature, TO, for Ferritic Steels in the Transition Range Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理?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he試驗方法 ?GB/T 21143-2007 金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理 G的力學標定 G=Ap2( 多試件法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理?7 制備一組試樣使其具有 相同的外形尺寸，但其 中的裂紋長度各不相同 O在彈性范圍內(nèi)作岀每 個試樣的載荷-位移（曲 線。 Kylinsoft, 2010 9-5不同裂紋長度的Pd關(guān)系 斷裂韌性的測試原理揺 分別以柔度與裂紋長度 為坐標軸作出柔度-裂 紋長度的關(guān)系曲線。 Kylinsoft, 2010 ao a\ az an a 裂紋長度Q與 柔度c的關(guān)系 斷裂韌性的測試原理-9 在圖解法中常將柔度表 達式改寫成無量綱形式 EG、 E d(BC) Kylinsoft, 2010 9-7 G】的標定曲線 斷裂韌性的測試原理-# 二平面應(yīng)變斷裂韌性Kb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的試樣，在試樣上制備 岀相當于缺陷的裂紋，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(yù)先確 定的，所以其應(yīng)力場強度因子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(yù)制 的裂紋深度a,代入應(yīng)力場強度因子的表達式求出裂紋失穩(wěn) 擴展的臨界值并記為％。 ?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，直到測岀材料的Kq值。 2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 斷裂韌性的測試原理-13 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-# 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 斷裂韌性的測試原理-# (d) (e) Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理」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 1500 mm 斷裂韌性的測試原理-# 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 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 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-17 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-# cX>25K> W 2X00.25 護 （⑴圓型緊凌拉伸試樣 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-19 圖4-4試樣裂紋面取向的標記 (a〉矩形斷裂面板材中裂紋面取向的標注； (b)棒材及圓餅中裂紋面取向的標注； (C)試樣與兩個參考軸成傾斜角度時製紋面取向標注 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 擴展方向 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-# 軋制方向 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理J9 試樣尺寸 ?尺寸相對于試驗材料的性能應(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條件時，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。 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。 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 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-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(yù)制。 ?控制好疲勞載荷，裂紋長度a應(yīng)在0.45? 0.55W之間。 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-# 3試驗方法 位移傳感器 4,記錄儀 12-2用三點彎曲方法測定K“裝量圖 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-23 緊湊拉伸試樣 拉伸卡具 銷釘 ?>?令$.?。簚 緊湊拉伸試驗 Kylinsoft, 2010 /載荷傳感器 斷裂韌性的測試原理-23 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二匕，如 圖12-3（c）中曲線III中即為這種情形；如果在交點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)  確定裂紋長度3 B v V \/AB ?斷口形貌觀察。在斷裂 的試樣斷口上，用放大 倍數(shù)為30?50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 斷裂韌性的測試原理-25 4試驗結(jié)果的處理 (1)三點彎曲試驗 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 斷裂韌性的測試原理-27 4試驗結(jié)果的處理 (2)緊湊拉伸試驗 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理?# 4試驗結(jié)果的處理 (2)緊湊拉伸試驗 Kq = a軋2了(罰 制(0. 886 + 4. 64 畚一13. 32 (2 + ； 匍+ 14. 72 5-6(#)) Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理?# 4試驗結(jié)果的處理 (2)緊湊拉伸試驗 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理?# 4試驗結(jié)果的處理 (2)緊湊拉伸試驗 12-2緊凄拉伸試驗fd/WO值 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 0. 545 11.17 0. 550 11.36 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理?29 4試驗結(jié)果的處理 (3) C形拉伸試驗 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-# 4試驗結(jié)果的處理 (3) C形拉伸試驗 K->^+L9+L 1+ 0.25（l—畚）（1- n 廠2 3. 74- 6-30 ^ + 6.32 w -Z43（紆） Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-# 4試驗結(jié)果的處理 (4)圓形緊湊拉伸試驗 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-31 4試驗結(jié)果的處理 (4)圓形緊湊拉伸試驗 式中 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-# 5 Kq的有效性檢驗 (1)厚度判斷 EN2.5 (2)載荷比判據(jù)  Plane stress vs. Plane strain Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-33 Table 4.1 Typical 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 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 data 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 1. ? > ■ r ? r< ■ i r ■ ■ r wr - r ~ jw< g 9 ? . ? 4 ? not at room temperature ! Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-# 6利用小試件測定Kic Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-35 表4-3 幾種國產(chǎn)材料在常溫下的K-值 材 料 熱處理狀態(tài) 遙浚指標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=32.3 804 101 軸矣 3O€r2 MoV 940七空冷680七 回火 549 686 140- 155 大魁汽輪機轉(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 !4SiMnCrNiMoV 930X淬火6109回火 834 873 82.8 - 88.1 商壓空代瓶 18MnMoNiCr 880X8小時空冷 660X 8小時空冷 490 276 厚眾壓力容器 KJSiMniMoVA 900^淬油250P回火 1 216 1 431 113 石油鉆機吊貝 ISMnMoVCu 鑄 鋼 520 677 38.3-74.4 水輪機葉片 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 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Q的原理與方法。 使用三點彎曲試樣，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? 不強調(diào)平面應(yīng)變狀態(tài)，而僅強調(diào)構(gòu)件的實際應(yīng)用的情況，所 以試樣厚度B—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。 a 12 3三點彎曲試樣尺寸 W=B W=1.2B W^2B 0. 25W WO. 35W 0. 35lV<a<0. 451^ 0. 451VWoWO. 55砒 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-39 試樣的制備方法 A _ r<W - a) v _ z + a + r(W - a) r1 7芒 兒V的關(guān)系圖 在測定COD的國家標準中，取r二0.45。 圖 12-4 Clip gauge CTOD specimen Bottom former Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-41 CTOD試驗中的三類P?V曲線 匕 Ve 圖12-5 COD試驗中的三類P-卩曲線 V Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-# 聲發(fā)射法確定啟裂點 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 o試驗時，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，當裂 紋擴展時，E迅速增加， 根據(jù)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 聲發(fā)射法的裝置原理簡圖示于右。試樣內(nèi)啟裂時發(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，同時輸入施力點位移△信號，從而可繪岀S■△曲 0 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理?45 1 一未氧化新斷口； 2—裂紋擴展斷口; 3—預(yù)制疲勞裂紋；4一線切割切口。 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 曲線上甚點處卸載取下試樣，在 空氣介質(zhì)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(yù)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 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-# （一）單試樣法 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 斷裂韌性的測試原理?47 （一）單試樣法 ?使用三點彎曲試樣，其外形與de試樣相 似，制備方法也相同。 ?試樣尺寸 ?測定J[c時臨界點的確定方法，和測定臨 界CTOD—樣，可通過電位法、電阻法、 聲發(fā)射法、氧化發(fā)藍法等。 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理?49 （一）單試樣法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理?# （一）單試樣法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理?# （一）單試樣法 = Je + Jp Je = G I — ] E "-K： j = 24 p_BOV_q) Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理?# （二）多試樣法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-46 （二）多試樣法 9) (6) (C) 3) Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-46 （二）多試樣法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-46 （二）多試樣法 圖4-14多試樣標定丿的流程圖 （a）具有不同裂紋長度的試樣外形；（b）各試樣的F-4曲線; Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-46 （二）多試樣法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-46 （二）多試樣法 （c）給定位移下的昔 ~a曲線；（d）不同裂紋長度下的丿-△曲線。 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理-46 （三）阻力曲線法 Kylinsoft, 2010 斷裂韌性的測試原理?47 P215-1 Kylinsoft, 2010 作業(yè) 斷裂韌性的測試原理?#