斷裂韌性的測試原理解析課件

1、Fracture MechanicsPirate Captain第六章 斷裂韌性的測試原理齊俊林 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-3斷裂力學(xué)實驗內(nèi)容材料性能的測試，即材料破壞與裂紋擴展的內(nèi)在條件。例如，平面應(yīng)變斷裂韌度、臨界張開位移、臨界J積分、疲勞裂紋擴展速率、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。裂紋尖端能量場和應(yīng)力應(yīng)變場參數(shù)的實驗標(biāo)定。例如，應(yīng)力強度因子的實驗標(biāo)定、J積分的實驗標(biāo)定等。理論探索和驗證性實驗。例如，壓力容器與管道的全尺寸爆破試驗、大型焊接結(jié)構(gòu)接頭的斷裂實驗等。 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-4Related sp

2、ecifications BS 7448 Parts 1-4 Fracture Mechanics Toughness TestsBS 6729 Determination of the Dynamic Fracture Toughness of Metallic MaterialsBS 7910 Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-5Related specifications ASTM E399-09 Standar

3、d Test Method for Plane Strain Fracture Toughness of Metallic MaterialsASTM E1290-09 Standard Test Method for Crack-Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture Toughness MeasurementASTM E1820-09 Standard Test Method for Measurement for Fracture ToughnessASTM E1823-09 Technology Relating to Fatigue and

4、Fracture TestingASTM E1921-09 Standard Test Method for Determination of Reference Temperature, T0, for Ferritic Steels in the Transition Range Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-6Related specifications GB 4161-1984金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIc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 JIc試驗方法GB/T 21143-2007金屬材料準(zhǔn)

5、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-7 Kylinsoft, 2010一 G的力學(xué)標(biāo)定多試件法 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-8 Kylinsoft, 2010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。在彈性范圍內(nèi)作出每個試樣的載荷-位移(曲線。 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-9 Kylinsoft, 2010分別以柔度與裂紋長度為坐標(biāo)軸作出柔度-裂紋長度的關(guān)系曲線。 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-10 Kylinsoft, 2010在圖解法中常將柔度表達式改寫成無量綱形式

6、 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-11二 平面應(yīng)變斷裂韌性KIc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，在試樣上制備出相當(dāng)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KI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KI值并記為Kq。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

7、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，直到測出材料的KIC值。 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-122 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

8、原理-14 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-15三點彎曲試樣SENB三點彎曲試樣具有易于加工和便于加載的優(yōu)點 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-16緊湊拉伸試樣CT緊湊拉伸試樣則有節(jié)省材料的好處 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-17C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-18取樣和標(biāo)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-19 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-

9、20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(xué)條件時，才能獲得該材料的穩(wěn)定的KIC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(xué)所要求的小范圍屈服所必須的。韌帶寬度(w-a)的大小，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。 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?？刂坪闷谳d荷，裂紋長度a應(yīng)在0.450.55W之間。 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理

10、-223 試驗方法 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-23緊湊拉伸試驗 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-24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=P5，如圖12-3(c)中曲線中即為這種情形；如果在交點P5以前在P-V曲線上還有大于P5的載荷，則取其中最高的載荷為P5，如圖 (a)、(b)中曲線I，II就屬于這種情形。 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-25確定裂紋長度a斷口形貌觀察。在

11、斷裂的試樣斷口上，用放大倍數(shù)為3050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-264 試驗結(jié)果的處理(1) 三點彎曲試驗 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-274 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-284 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-294 試驗結(jié)果的處理(4) 圓形緊湊拉伸試驗 Kylinsoft, 2010斷

12、裂韌性的測試原理-305 Kq的有效性檢驗 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-31 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-32 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-336 利用小試件測定KIC Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-34 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-35三 裂紋頂端張開位移c的測試原理有多種標(biāo)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(biāo)定c的原理與方法。使用三點彎曲試樣，其外形與KIC試樣相似，制備方法也相同。 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-36

13、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一般取工件實際厚度，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。 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-37試樣的制備方法在測定COD的國家標(biāo)準(zhǔn)中，取r=0.45。 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-38CTOD試驗中的三類P-V曲線 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-39電位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。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(dāng)裂紋擴展時，E迅速增加，根據(jù)E-曲線的突變點

14、可以確定裂紋開始擴展時的位移Vc，其原理如圖所示。 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-40聲發(fā)射法確定啟裂點聲發(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，從而可繪出S-曲線。由于聲發(fā)射率峰值較多，一般采用聲發(fā)射法與電位法聯(lián)合確定啟裂點。 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-41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P-曲線上某點處卸載取下試樣，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，很容易測出裂紋的擴展量。當(dāng)觀察到的裂紋擴展量近乎為零或由不同的擴展量外推到零的點應(yīng)對應(yīng)于啟裂點。l一未氧化新斷口；2一裂紋擴展斷口；3一預(yù)制疲勞裂紋；4一線切割切口。 Kylinsoft, 2010斷裂韌性的測試原理-42四 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-43(一) 單試樣法使用三點彎曲試樣，其外形與K