斷裂韌性試驗

時間：2013-04-07 12:09:52 來源：作者：

在線彈性斷裂力學(xué)及彈塑性斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種評定材料韌性的力學(xué)試驗方法（見斷裂力學(xué)）。
   20世紀(jì)以來，曾發(fā)生過多起容器、橋梁、艦船、飛機(jī)等脆斷事故；事故分析查明，斷裂大多起源于小裂紋。為解決金屬脆斷問題，美國在1958年組成ASTM斷裂試驗專門委員會，目的是建立有關(guān)測定材料斷裂特性的試驗方法。于1967年首次制定了用帶疲勞裂紋的三點彎曲試樣（圖1 [兩種常用斷裂韌性試樣]）測定高強(qiáng)度金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性操作規(guī)程草案，并于1970年頒發(fā)了世界第一個斷裂韌性試驗標(biāo)準(zhǔn)ASTME399-70T。此后，斷裂韌性試驗受到世界各國的普遍重視并蓬勃發(fā)展。中國于1968年前后開始這方面的試驗研究。
   取樣原則  由于裂紋或類裂紋缺陷是導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)斷裂的主要原因，所以斷裂韌性試驗采用帶尖銳裂紋的試樣(圖1[兩種常用斷裂韌性試樣]),用直接觀察或間接測量法連續(xù)監(jiān)測裂紋的行為；如用夾式引伸計連續(xù)測量裂紋嘴張開位移V 隨載荷P 的變化(圖2[用夾式引伸計測裂紋嘴張開位移V隨載荷P變化的曲線],以測定材料抗裂紋擴(kuò)展的能力及裂紋在疲勞載荷或應(yīng)力腐蝕下的擴(kuò)展速率;求得平面應(yīng)變斷裂韌度K[ic]、動態(tài)斷裂韌度K[id]、裂紋臨界張開位移，應(yīng)力腐蝕臨界強(qiáng)度因子K[111-21] 111-21 [kg2] kg2 ,疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN（毫米/周）等斷裂韌性參數(shù)。其中，角標(biāo)Ⅰ代表張開型裂紋，或稱Ⅰ型裂紋,角標(biāo)c代表臨界值。此外，尚有滑開型（Ⅱ型）裂紋，撕開型（Ⅲ型）裂紋（圖3 [裂紋的擴(kuò)展類型示意圖]）。Ⅰ型裂紋最易引起脆斷，所以目前斷裂韌性試驗多限于Ⅰ型加載。
   斷裂韌性對取向敏感。通常以兩個字母表示試樣取向，如TL，CL試樣，第一個字母代表裂紋面的法線方向，第二個字母表示預(yù)期的裂紋擴(kuò)展方向。L 表示坯料的長度或主變形方向，T和S分別表示矩形斷面板材的寬度方向和第三正交方向。R和C則分別表示棒材或餅材的徑向和切向。當(dāng)從實物上取樣時，應(yīng)首先對構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力分析，然后在最危險的裂紋位置和取向上取樣。
   試驗選擇  除材料本身和試樣取向外，試樣尺寸、應(yīng)力狀態(tài)、加載方式、加載速率、試驗溫度和試驗環(huán)境等外界因素均會影響材料的斷裂韌性。通常，平面應(yīng)變狀態(tài)、快速加載、低溫會降低材料斷裂韌性，增加脆斷傾向。同時,在一次加載下不擴(kuò)展的裂紋，在疲勞載荷及應(yīng)力腐蝕作用下會產(chǎn)生緩慢的亞臨界擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到臨界尺寸后，試件斷裂。在選擇斷裂韌性試驗條件，或選用斷裂韌性數(shù)據(jù)時，必須盡可能接近實際工作條件和環(huán)境。
   斷裂韌性參數(shù)的最大特點是，這些表征材料韌性高低的參數(shù)與外加載荷、試樣尺寸及缺陷尺寸間有定量關(guān)系。知道任何兩個參數(shù)，即能預(yù)計第三者。從而可對安全分析、事故分析、壽命估算、缺陷評定標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行定量計算，并可用于安全設(shè)計、材料選擇、材料和工藝研究等各方面。幾種常用的斷裂韌性試驗如下：
   ①  平面應(yīng)變斷裂韌度[ic]試驗  [ic]是材料常數(shù),單位為[kg2] kg2 kgf/mm(或MN/m)。[ic][kg2] kg2 越高，材料的韌性越好。＞[ic]時，裂紋擴(kuò)展；反之,裂紋不擴(kuò)展。[ic]試驗適用于高強(qiáng)度脆性材料。
   ②  應(yīng)力腐蝕臨界強(qiáng)度因子[111-21] 111-21 試驗  在腐蝕介質(zhì)中,如裂紋頂端的應(yīng)力強(qiáng)度因子[111-22] 111-22 ＜[111-21] 111-21 ,裂紋不擴(kuò)展。單位同[ic]°[kg2] kg2 1975年美國海軍研究試驗室制定了“金屬材料平面應(yīng)力腐蝕開裂抗力標(biāo)準(zhǔn)試驗法”AD-A008，119。
   ③  裂紋頂端臨界張開位移試驗  裂紋頂端張開位移（圖4 [裂紋頂端張開位移示意]）是裂紋頂端塑性應(yīng)變程度的度量，當(dāng)達(dá)臨界值時，裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致試樣斷裂。越高，材料的斷裂韌性越好，單位為mm。此方法適用于中強(qiáng)度高韌性材料。