铝合金低温断裂韧性研究

《材料力学性能》论文
题目
院（系）
专业
学生姓名
学号
字数
完成日期: 年月日
目录
1摘要 (2)
2关键词 (2)
3引言 (3)
4研究方法 (4)
5试验方法 (4)
6研究结论 (5)
7目前存在的问题 (5)
8结束语 (5)
9参考文献 (5)
铝合金低温断裂韧性研究现状
Low temperature fracture toughness aluminum alloy research
摘要：随着航空航天技术的发展，机械性能的结构材料在低温的研究也越来越多。

人们更加注重断裂韧性的铝合金的低温。

本文介绍了常用的测量断裂韧性的方法及判据，分析了国内外评定铝合金及其接头的断裂性能现状，并提出测试2219铝合金的断裂韧性评定方案。

最后指出了我国在评定低温断裂性能方面的不足以及需要改进的方面断裂力学判据随着近年来断裂力学的进展，在评价结构使用性能时，最适当的量度已变为断裂韧性。

在断裂力学上把材料抵抗裂纹扩展的能力称为断裂韧性。

在实际工程应用中我们采用那个断裂力学破坏判据？如何应用断裂力学指导选材与测定断裂韧性？这些是必须要首先解决的问题。

目前断裂力学断裂判据较多，其特点、出发点各有不同。

如线弹性断裂力学(KIC)可以认为是应力判据，裂纹张开位移(COD)可认为是位移判据，J积分可认为是能量判据，塑性区的尺寸ρ可认为是应变判据等。

这些判据在评定结构件有那些问题？采用哪个比较适宜？为此必须了解这些判据的特点、约束条件、优点及不利的地方。

线弹性断裂力学适用于平面应变或小范围屈服条件下；对于大范围屈服采用，，判据，对于全面屈服状态下的不再成立，只有用和；但是理论尚不够完善，J积分方法是弹塑性断裂力学中很有前途的方法。

关键词：铝合金低温断裂韧性2219铝合金
Abstrack
As the development of aeronautic and astronautic techniques, the mechanical properties of structural materials at cryogenic temperature are studied more and more. People pay more attention to the fracture toughness of Al alloy at cryogenic temperature. This paper introduced manners of measuring fracture toughness, analyzed the present evaluation of fracture toughness of aluminum alloy and its welding joint, and proposed scheme of evaluation of the fracture toughness of 2219 Al alloy. In the end, it was stated that there were a lot of deficiencies in evaluation of the fracture toughness at cryogenic temperature in our country.; Fracture mechanics criterion with the recent progress in the evaluation of fracture mechanics, structural performance, the most appropriate measure has been changed to fracture toughness. In the mechanics of materials resistance to crack propagation ability is called fracture toughness. In the practical engineering application. We adopt the fracture mechanics damage criterion? How the application of fracture mechanics to guide the selection and determination of the fracture toughness? These are must first solve the problem. The fracture mechanics and fracture criterion is more, its characteristics, the starting point is different. Such as the linear elastic fracture mechanics ( KIC ) can be considered a stress criterion, crack opening displacement ( COD ) can be thought of as the displacement criterion, J integral can be considered as a criterion of energy, the size of plastic zone is considered strain criterion. These criteria in the evaluation of structure of those who have questions? Using what is more appropriate? This must be aware of these criteria, constraint conditions, characteristics of the advantages and disadvantages. Linear elastic fracture mechanics is applied to the plane strain or under the condition of small scale yielding; for large scale yield, criterion, using, to yield under the condition of no longer established, only use and; but the theory is not perfect, the J integral method of elastic-plastic fracture mechanics of promising method.
Keywords: aluminum alloy Cryogenic temperature fracture toughness
2219aluminum alloy
引言:断裂力学判据随着近年来断裂力学的进展，在评价结构使用性能时，最适当的量度已变为断裂韧性。

在断裂力学上把材料抵抗裂纹扩展的能力称为断裂韧性。

目前断裂力学断裂判据较多，其特点、出发点各有不同。

如线弹性断裂力学(KIC)可以认为是应力判据，裂纹张开位移可认为是位移判据，J积分可认为是能量判据，塑性区
的尺寸ρ可认为是应变判据等，J积分方法是弹塑性断裂力学中很有前途的方法.
研究方法:(1) 平面应变断裂韧性试验(KIC试验)它是一种静态弯曲试验，用特殊的夹式应变计求出缺口部位变位，再按与载荷的关系求KIC值。

(2) COD试验它是Cottrell和Wells所独创，不受平面应变状态限制。

(3) JIC试验,与英国COD试验相对应的是美国提出JIC试验。

实验方法:KIC，COD，JIC三种实验除在静态载荷外，也在动态载进行。

这些试验称为动态断裂韧性试验。

此项试验为了弄清KIC随温度降低的真实变化情况，对每一种合金状态取2~3个试样，通过对一个试样进行多次测量断裂韧性的方法试验两次。

首先测定室温下的KIC至断裂前，在试样中重新制造疲劳裂纹，然后在-196℃的液氮中进行试验。

由表所示结果可以看出，与半成品的种类和压力加工方法(截面为65×200和12×75mm的挤压带材，35mm的厚板)、合金的纯度(杂质Fe、Si分别<0.01)、热处理方式(人工和自然时效)、取样的方向(纵向、宽向和高向)以及淬火后时效前的拉伸矫直(T851)无关，KIC值随温度的降低而增加。

常用铝合金结构材料的断裂韧性KIC一般可以由手册中查出(一般是常温下)，而对于焊缝中心、热影响区和熔合线区材料的KIC则须通过实验测定。

文献[9]对贮箱板材LD10铝合金及其焊件的断裂韧度JIC 进行了试验和研究。

由于所测铝合金板材厚度为13mm，由于板材较薄不满足平面应变状态，所以采用J积分法测定了JIC。

作者采用三点弯曲试样,裂纹由线切割而成,分别开在母材、焊缝及热影响区。

裂纹在焊缝和热影响区的位置参考BS7448: 1997-PartⅡ。

实验过程按GB/T 2038-1991在进行。

加载完再卸载后将试样压断，根据载荷位移曲线计算裂纹扩展量△a和断裂韧度，再根据经验公式J=C1ΔaC2拟合，Δa=0.20mm偏置线的交点就是所要测定的JIC。

最后做JIC的有效性判断。

结果表明) LD10铝合金热影响区的试样裂纹顶端发生了大范围的钝化,抗撕裂能力极好,断裂韧度JIC是母材的1.7倍，这是因为焊接中热的影响，使材料结构发生变化。

LD10铝合金焊缝的断裂韧度比母材要低，焊缝中存在杂质和气孔等缺陷。

文献[10]针对推进剂贮箱结构中的未穿透裂纹，利用断裂理学理论求出裂纹前缘应力强度因子KI，然后对焊接试样分别选择焊缝中心、熔合线及热影响区三种典型位置预制表面裂纹，求出KIC，比较大小。

文献[11]采用表面裂纹法，利用自行研制的低温多试样拉伸装置，研究了航天铝合金材料的焊缝在低温(20K)的断裂性能。

该试样是在焊缝表面开一个椭圆形缺口，通过控制疲劳过程，得到合适的表面裂纹。

然后再经过加载、控温、采集等几部分。

最后得到的是试件伸长量与应力的关系曲线，而不能直接得到裂纹张开位移与应力的关系曲线。

文献[12]分析了高组配和低组配的焊接接头与全母材和全焊缝的断裂韧性。

研究结论: 通过J积分测试结果表明对于9Cr-1Mo，2-1/4Cr-1Mo和BX52为母材
的低组配焊接接头的J积分参量依照全母材、焊接接头和全焊缝的次序依次递减,而高
组配则与低组配正好相反，并且焊缝宽度的增加，材料组配焊接接头的J积分值与其
全母材的结果差别增加,而与全焊缝材料结果的差别在逐渐减小。

目前存在的问题:热处理强化的2219铝合金是用于航天产品的轻质高强结构材
料，工作温度范围可达-250℃~+250℃。

我国暂时还缺乏全面的关于2219铝合金力学
性能的测试数据，因此有必要对低温材料2219铝合金及其焊接接头的力学和断裂力学
性能进行测定。

目前运载火箭贮箱拟采用2219铝合金，焊接方法主要包括熔焊方法和
摩擦焊方法，针对不同状态的2219铝合金母材和焊接接头进行断裂力学评定。

对其低
温断裂韧性评定方案有如下几步：(1) 选择参考标准对于断裂韧性评定标准，我国发
展得还不是很健全。

对于焊接接头的测定，我国还没有制定相关标准，更没有低温下
的断裂韧性测试标准。

(2) 选择试验方案由于拟测试的铝合金板厚较薄，不符合平面
应变状态条件，所以只能通过J积分方法来测试母材和焊接接头的JIC。

测定母材在低
温下的的JIC，可以参考GB/T 2038-1991，但是此标准中并没有规定是适用温度。

对
于焊接接头焊缝、热影响区和熔合区的JIC的测定，国内没有可供参考的标准，参考
标准有英国标准BS 7448-1997，尽管此标准依然是没有特别指出可以在低温下应用。

(3) 数据分析方法测出母材和焊接接头的断裂韧性数据之后，需要对数据进行整理分
析。

我们可以在多试样试验结果中计算得到一个平均值，但是这并不能真正反映铝合
金材料及其焊接接头的断裂力学性能。

从数学理论上讲，只有50%的可靠度。

在航空航
天领域，对于材料的可靠性要求极为苛刻。

50%置信度只能满足我们对材料的最基本的
认识。

因此对运载火箭贮箱的材料2219铝合金的断裂性能分析，我们需要掌握95%，
甚至更高98.5%的置信度。

因此还需要对数据用数理统计的方法进行分析。

结束语力学性能测试是任何一种焊接结构件使用前必须进行的工作，尤其对于
在航空航天上用到的焊接结构。

传统力学性能指标强度和韧性指标不能满足现代对材
料越来越严格的要求了，对其断裂韧性的测试随着断裂力学的发展逐渐受到重视。

金
属结构材料和焊接接头拉伸性能的测试，我国早在80年代就制定了国家标准，并于近
几年进行了完善。

但是对于金属结构材料的断裂韧性测试的标准发展的不是很完善。

参考文献[1] Shigeoki SAJI et al.Mechanical properties of aluminum alloys at very low temperature.Light Metal(Japan) ,1989:39(8):574.
[2]管野椅宏[日]，张兴仁译.超低温用高强度高韧性铝合金的开发[J].1991年，37-48. (3);67.
[3]Yoshimitsu.Miyagi et al.Characteristics and application of aluminum alloys at
cryogenic temperature.R & D Kobe Steel Engineering. Reports (Japan),1984:34.
[4]Begley, ndes, Fracture and Toughness, ASTM STP 514(1972) ,1-20.
[5]BS 7448:Part4, 1997,Method for determination of fracture resistance curves and
initiation values for stable crack extension in metallic materials [S].
[6]霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M].北京:机械工业出版社, 2000.
[7]稻桓道夫、可田沼欣[日].低温材料标准及断裂韧性试验[J].国外技术，90-99
[8]库德良绍夫、斯莫连采夫[苏联]，高云震等译.铝合金断裂韧性[M].北京：冶金工业出版社，1980.116-118.
[9]杨海生、常新龙.用三点弯曲试样测定LD10铝合金断裂韧度JIC[J].理化检验-物理分册，2005，
41(5)：226-229.
[10]袁杰红、唐国金、周建平，等.断裂力学在推进剂贮箱安全评定中的应用[J].强度与环境，1999，(1)：30-36.
[11]张敏、林香祝、徐世珍，等.焊接接头断裂性能的试验研究[J].机械强度，2003，25(1)：85-89.。