斷裂韌性試驗

時間：2013-04-07 12:09:52 來源：作者：

在線彈性斷裂力學及彈塑性斷裂力學基礎上發(fā)展起來的一種評定材料韌性的力學試驗方法（見斷裂力學）。
   20世紀以來，曾發(fā)生過多起容器、橋梁、艦船、飛機等脆斷事故；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]）測定高強度金屬材料平面應變斷裂韌性操作規(guī)程草案，并于1970年頒發(fā)了世界第一個斷裂韌性試驗標準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展的能力及裂紋在疲勞載荷或應力腐蝕下的擴展速率;求得平面應變斷裂韌度K[ic]、動態(tài)斷裂韌度K[id]、裂紋臨界張開位移，應力腐蝕臨界強度因子K[111-21] 111-21 [kg2] kg2 ,疲勞裂紋擴展速率da/dN（毫米/周）等斷裂韌性參數(shù)。其中，角標Ⅰ代表張開型裂紋，或稱Ⅰ型裂紋,角標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，第二個字母表示預期的裂紋擴展方向。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。當從實物上取樣時，應首先對構(gòu)件進行應力分析，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,在一次加載下不擴展的裂紋，在疲勞載荷及應力腐蝕作用下會產(chǎn)生緩慢的亞臨界擴展，當達到臨界尺寸后，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、缺陷評定標準等進行定量計算，并可用于安全設計、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，裂紋擴展；反之,裂紋不擴展。[ic]試驗適用于高強度脆性材料。
   ②  應力腐蝕臨界強度因子[111-21] 111-21 試驗  在腐蝕介質(zhì)中,如裂紋頂端的應力強度因子[111-22] 111-22 ＜[111-21] 111-21 ,裂紋不擴展。單位同[ic]°[kg2] kg2 1975年美國海軍研究試驗室制定了“金屬材料平面應力腐蝕開裂抗力標準試驗法”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]）是裂紋頂端塑性應變程度的度量，當達臨界值時，裂紋擴展而導致試樣斷裂。越高，材料的斷裂韌性越好，單位為mm。此方法適用于中強度高韌性材料。