06断裂韧性的测试原理详解

Fracture MechanicsPirate Captain第六章断裂韧性的测试原理齐俊林断裂力学实验内容1.材料性能的测试，即材料破坏与裂纹扩展的内 在条件。例如，平面醱断裂韧度、临界张开 位移、临界J积分、疲劳褻纹扩展速率、蠕变 裂纹扩展速率、动态断裂韧度以及应力腐蚀临 界应力强度因子等。瞪騎總辭驢盘農的讖翳 头验标走等。3理论探索和验证性实验。例如，压力容器与管 勰驀寸爆破试验、大型焊接结构接头的断 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理#Related specificationsBS 7448Parts 1-4 Fracture Mechanics Toughness TestsBS 6729Determination of the Dynamic Fracture Toughness of Metallic MaterialsBS 7910Guide on Methods for Assessing the Acceptability ofFlaws in Metallic StructuresASTM E399-09Standard Test Method for Plane Strain Fracture Toughness of Metallic MaterialsASTM El290-09Standard Test Method for Crack-Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture Toughness MeasurementASTM El 820-09Standard Test Method for Measurement for FractureToughnessASTM El823-09Technology Relating to Fatigue and Fracture TestingASTM El921-09Standard Test Method for Determination of ReferenceTemperature, TO, for Ferritic Steels in the Transition Range Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理5Related specificationsGB 4161-1984 金属材料平面应变断裂韧度Ki。试验方法GB 2358-1980裂纹张开位移(COD)试验方法GB 2038-1991金属材料延性断裂韧度he试验方法GB/T 21143-2007金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理G的力学标定G=Ap2(多试件法 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理7 制备一组试样使其具有 相同的外形尺寸，但其 中的裂纹长度各不相同 O在弹性范围内作岀每 个试样的载荷-位移（曲 线。 Kylinsoft, 20109-5不同裂纹长度的Pd关系断裂韧性的测试原理揺分别以柔度与裂纹长度 为坐标轴作出柔度-裂 纹长度的关系曲线。 Kylinsoft, 2010ao a az ana裂纹长度Q与柔度c的关系断裂韧性的测试原理-9在图解法中常将柔度表 达式改写成无量纲形式EG、 E d(BC) Kylinsoft, 20109-7 G】的标定曲线断裂韧性的测试原理-#二平面应变断裂韧性Kb的测试原理1试验原理用试验的材料制成一定形状和尺寸的试样，在试样上制备 岀相当于缺陷的裂纹，然后对试样进行加载。由于试样及 其裂纹的形状、尺寸和加载方式以及断裂部位都是预先确 定的，所以其应力场强度因子的表达式也是确定的。在加载过程中，用测试仪器连续地记录载荷增加及裂纹扩 展情况的P-V曲线（V为裂纹嘴张开位移）。将曲线上表明裂 纹失稳扩展的临界状态的载荷Pq及试样断裂后测出的预制 的裂纹深度a,代入应力场强度因子的表达式求出裂纹失稳 扩展的临界值并记为。然后再依据一些规定判断Kq是不是平面应变状态下的Kic， 如果Kq不符合判别的要求，则仍不是Kic，需要增大试样尺 寸重新试验，直到测岀材料的Kq值。2试件三点弯曲试样SENB ( Single edged notched bend specimen )紧凑拉伸试样CT ( Compact tension specimen ) C形拉伸试样圆形紧凑拉伸试样单边缺口拉伸试样(Single edged notched tension specimen )宽板试样 (curved wide plate testing ) Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-13 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-#SENB Specimen(C) C型拉伸畤(d)阀型紧凑拉伸试样;“卜siFl卜9.0 卜 i -4wo Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-#(d)(e) Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理3 Kylinsoft, 2010r.1000 mm LVDTsiJIrI一Iu7-80mm LVDTsp AE sensorsCMOD clip gaugec Notch一,UJUIOOE1500 mm断裂韧性的测试原理-#三点弯曲试样SENB三点弯曲试样具有易于加工和便于加载的优点SENB SpecimenF/2F/2紧凑拉伸试样CT紧凑拉伸试样则有节省材料的好处CT Specimen7wFC形拉伸试样和圆形紧凑拉伸试样C型拉伸试样和圆型紧凑拉伸试样分别适用于 管材和棒材的试验 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-17 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-#cX>25K>W2X00.25 护（圆型紧凌拉伸试样 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-19图4-4试样裂纹面取向的标记(a矩形断裂面板材中裂纹面取向的标注；(b)棒材及圆饼中裂纹面取向的标注；(C)试样与两个参考轴成倾斜角度时製纹面取向标注取样和标记第一个字母表示裂纹 面的法线方向第二个字母表示裂纹 扩展方向 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-#轧制方向 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理J9试样尺寸尺寸相对于试验材料的性能应满足一定的限制条件，使试样满足平面应 变及小范围屈服的力学条件时，才能获得该材料的稳定的K】c值。试样厚度B的要求是满足平面应变的条件之一。裂纹长度a要求是保证线性弹性断裂力学所要求的小范围屈服所必须的。 小，既能影响小范围屈服，又能影响包围塑性区的广 大弹性范围的大小。B 2> 5a50ry = 2 5W aThickness, Bss ugnolQ)nloeLL表12-1试样最小的B.a推荐值(mm)ajE 0. 0057 0. 0062 0. 0065 0. 0068 0. 0071 0. 0075 0- 0080 0. 0085 0. 01000. 0062 0. 0065 0. 0068 0. 0071 0- 0075 0. 0080 0. 0085 0> 0100 Ba6350443832252012- 56.5 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-21裂纹制备引发裂纹的切口一般采用线切割加工， 其宽度一般为0.12mm,切口顶端的尖裂 纹可在高频拉伸疲劳试验机上预制。控制好疲劳载荷，裂纹长度a应在0.45 0.55W之间。 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-#3试验方法位移传感器4,记录仪12-2用三点弯曲方法测定K“装量图 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-23紧凑拉伸试样拉伸卡具销钉>令$.佟：紧凑拉伸试验 Kylinsoft, 2010/载荷传感器断裂韧性的测试原理-23确定临界载荷Pq过原点o作一割线，该割线的斜率比P-V曲线中直线部分的斜率低 5%,该割线与P-V曲线的交点为P5,若在交点P5以前P-V曲线上所 有的点的载荷均低于P5，则取裂纹失稳扩展的条件载荷Pq二匕，如 图12-3（c）中曲线III中即为这种情形；如果在交点P5以前在曲线 上还有大于卩5的载荷，则取其中最高的载荷为卩5，如图（a）、（b）中 曲线I, II就属手这和情形。(a)(b)(c)确定裂纹长度3BvV/AB断口形貌观察。在断裂 的试样断口上，用放大 倍数为3050的测量显 微镜或工具显微镜测量 裂纹的长度。因为一般 的疲劳裂纹前缘呈圆弧 形，要求在试样厚度的 1/4、1/2、3/4三处测量 ,取其平均值作为有效 裂纹长度。 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-254试验结果的处理(1)三点弯曲试验K = fl 1 BWmJ Wf皂)_3(4/炉#1 99-a/U9(l-4/WO(2 15 3 934/W+2. 7，/1沪) Wf2(l + 2a/WO(l-a/W)3" Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-274试验结果的处理(2)紧凑拉伸试验 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理#4试验结果的处理(2)紧凑拉伸试验Kq = a轧2了(罰制(0. 886 + 4. 64 畚一13. 32(2 + ；匍+ 14. 725-6(#) Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理#4试验结果的处理(2)紧凑拉伸试验 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理#4试验结果的处理(2)紧凑拉伸试验 12-2紧凄拉伸试验fd/WO值a/W血/UOa!W/(d/lF)0. 4508. 340 5009. 660.4558.460. 50S9.810.460& 580>5109.960.465& 700.51510.120. 470& 830. 52010. 290. 475& 960. 52510. 540- 4809090. 53010. 630. 4859. 230. 53510. 800< 4909.370. 54010. 980.4959. 510. 54511.170. 55011.36 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理294试验结果的处理(3) C形拉伸试验 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-#4试验结果的处理(3) C形拉伸试验K->+L9+L1+ 0.25（l畚）（1-n厂23. 74- 6-30 + 6.32w-Z43（紆） Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-#4试验结果的处理(4)圆形紧凑拉伸试验 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-314试验结果的处理(4)圆形紧凑拉伸试验式中 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-#5 Kq的有效性检验(1)厚度判断EN2.5(2)载荷比判据Plane stress vs. Plane strain Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-33Table 4.1 Typical values of fracture toughnessMaterial!1j - 一-4Youngs modulus E (GPa) -7Yield stress i (MPa)ToughnessKic (MPa)Thickness requirement 2.5 (K“/b J(mm)! Steels2101j medium carbon26054108 pressure vessel470208489.6high strength alloy14609811AFC 77 stainless1530837.4i fl0Aluminium alloys72 - -j 2024 T84202710.4! 7075 T6540307.91 7178 T6560234.2I i Titanium alloys108i T1-6A1-4V10607312.6j (high yield)1100383.1厂 Comparative datarConcrete45一一800.2-1.4Ice9.1850.2*Epoxy2-330-600.5-3j Boron fibre44130001Carbon fibre250-3902200-2700Boron/epoxy composite220-340725-1730461 CFRP70-200300-140032-45GFRP38100-30020-60 * MB1. > r r< i r r wr - r jw< g 9 . 4 not at room temperature ! Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-#6利用小试件测定Kic Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-35表4-3 几种国产材料在常温下的K-值材料热处理状态遥浚指标MPaKjcMN/mT主要用途<0.240钢860X正火29454970.7 - 71.9轴発45饬正火皿=32.3804101轴矣3Or2 MoV940七空冷680七 回火549686140- 155大魁汽轮机转子34CrNijMO839加热 780七预冷淬油WOP回火539716121 138大33发电机转于4OrNiMoA*609淬油200P回火1 5791 94242.2860X淬油380弋回火1 3831 49163.3860弋淬油430P回火1 3341 39390.014MnMoNbB920弋淬水620P空冷834883152 一 166圧力容貉!4SiMnCrNiMoV930X淬火6109回火83487382.8 - 88.1商压空代瓶18MnMoNiCr880X8小时空冷660X 8小时空冷490276厚眾压力容器KJSiMniMoVA900淬油250P回火1 2161 431113石油钻机吊貝ISMnMoVCu铸钢52067738.3-74.4水轮机叶片SOCrMnSiNijA890%：加热3009筹温1 39380.3航空用钢3OCrMnCrMo930X淬火520%：回火1 138 1 1671 265- 1 314163 - 164舰艇用钢板45MnSiV900%：淬火 44OX 火1 4711 64883.7预应力钢筋稀土镂球饺9209加热硝盐淬火38OP回火1 30435.7 - 38.8轴类钳球铁正火34.1 * 35.7内燃机车曲轴510 628S3 - 1 04037.2-48.4SOkg/m钢轨稀土球铁88OX1JUMV 310%：等 iflHRC b 38 4249.6-52.7|轴类三裂纹顶端张开位移0 c的测试原理有多种标定裂纹顶端张开位移& c的方法，如单试样法、多试 样法、阻力曲线法等。这里介绍单试样法标定Q的原理与方法。使用三点弯曲试样，其外形与Km试样相似，制备方法也相同。FIGURE 3.5 The hinge model for estimating CTOD from three-point bend specimens不强调平面应变状态，而仅强调构件的实际应用的情况，所 以试样厚度B般取工件实际厚度，对试样宽度W及裂纹长 度有如表123的规定，加载跨距S=4W。a 12 3三点弯曲试样尺寸W=BW=1.2BW2B0. 25W WO. 35W0. 35lV<a<0. 4510. 451VWoWO. 55砒 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-39试样的制备方法A _ r<W - a) v _ z + a + r(W - a)r17芒儿V的关系图在测定COD的国家标准中，取r二0.45。图 12-4Clip gaugeCTOD specimenBottom former Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-41CTOD试验中的三类PV曲线匕Ve图12-5 COD试验中的三类P-卩曲线V Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-#声发射法确定启裂点电位法是在试样两端加 一恒值稳定电流，并在 裂纹两端焊上电位测头 o试验时，用XY记录 仪记录P关系曲线及 裂纹两侧电位E与位移 的E关系曲线，当裂 纹扩展时，E迅速增加， 根据E曲线的突变点 可以确定裂纹开始扩展 时的位移Vc,其原理如声发射法的装置原理简图示于右。试样内启裂时发出 的声发射信号经探头感受后，由前置放大器再经声发 射测试仪主体放大和选样，将声发射率S输入XY记录 仪，同时输入施力点位移信号，从而可绘岀S曲0 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理451 一未氧化新断口； 2裂纹扩展断口;3预制疲劳裂纹；4一线切割切口。确定启裂点氧化发蓝法可用来确定加载到p 曲线不同位置时裂纹的扩展量 ,从而确定启裂点。加载到 曲线上甚点处卸载取下试样，在 空气介质中加热氧化到呈蓝色， 然后冷却。压断试样后，断口如 右图所示。由于预制疲劳裂纹的 表面光滑，氧化膜颜色较浅；而 试验中裂纹扩展的表面比较粗糙 ,氧化膜化颜色较深，故通过金 相显微镜观察，很容易测出裂纹 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-#（一）单试样法四Jic的测试原理用于J积分测定的有单试样法、多试样法、 阻力曲线法等。 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理47（一）单试样法使用三点弯曲试样，其外形与de试样相 似，制备方法也相同。试样尺寸测定Jc时临界点的确定方法，和测定临 界CTOD样，可通过电位法、电阻法、 声发射法、氧化发蓝法等。 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理49（一）单试样法 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理#（一）单试样法 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理#（一）单试样法= Je + JpJe = G I E "-K： j =24p_BOV_q) Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理#（二）多试样法 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-46（二）多试样法9)(6)(C)3) Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-46（二）多试样法 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-46（二）多试样法图4-14多试样标定丿的流程图（a）具有不同裂纹长度的试样外形；（b）各试样的F-4曲线; Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-46（二）多试样法 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-46（二）多试样法（c）给定位移下的昔a曲线；（d）不同裂纹长度下的丿-曲线。 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理-46（三）阻力曲线法 Kylinsoft, 2010断裂韧性的测试原理47P215-1 Kylinsoft, 2010作业断裂韧性的测试原理#