06 断裂韧性的测试原理

断裂韧性的测试原理-47
作业
P215-1
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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。
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在图解法中常将柔度表 达式改写成无量纲形式
P BW
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断裂韧性的测试原理-10
二 平面应变断裂韧性KIc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 出相当于缺陷的裂纹，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KI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KI值并记为Kq。 • 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，直到测出材料的KIC值。
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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。
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Fracture Mechanics
Pirate 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，平面应变断裂韧度、临界张开 位移、临界J积分、疲劳裂纹扩展速率、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。 2. 裂纹尖端能量场和应力应变场参数的实验标定 。例如，应力强度因子的实验标定、J积分的 实验标定等。 3. 理论探索和验证性实验。例如，压力容器与管 道的全尺寸爆破试验、大型焊接结构接头的断 裂实验等。
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4 试验结果的处理 (4) 圆形紧凑拉伸试验
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5 Kq的有效性检验
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紧凑拉伸试样CT
• 紧凑拉伸试样则有节省材料的好处
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C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
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断裂韧性的测试原理-17
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
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Related specifications
ASTM E399-09 Standard Test Method for Plane Strain Fracture Toughness of Metallic Materials ASTM E1290-09 Standard Test Method for Crack-Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture Toughness Measurement ASTM E1820-09 Standard Test Method for Measurement for Fracture Toughness ASTM E1823-09 Technology Relating to Fatigue and Fracture Testing ASTM E1921-09 Standard Test Method for Determination of Reference Temperature, T0, for Ferritic Steels in the Transition Range
3 试验方法
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紧凑拉伸试验
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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=P5，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P-V曲线 上还有大于P5的载荷，则取其中最高的载荷为P5，如图 (a)、(b)中 曲线I，II就属于这种情形。
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断裂韧性的测试原理-18
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断裂韧性的测试原理-19
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KIC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。 韧带宽度(w-a)的大小，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。
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断裂韧性的测试原理-35
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一般取工件实际厚度，对试样宽度W及裂纹长 度有如表12-3的规定，加载跨距S=4W。
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试样的制备方法
在测定COD的国家标准中，取r=0.45。
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(二) 多试样法
4
3 2 1
1 dU J B da
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(三) 阻力曲线法
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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）
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Related specifications
BS 7448 Parts 1-4 Fracture Mechanics Toughness Tests BS 6729 Determination of the Dynamic Fracture Toughness of Metallic Materials BS 7910 Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures
l一未氧化新断口；2一裂纹扩展断口； 3一预制疲劳裂纹；4一线切割切口。
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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。
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断裂韧性的测试原理-42
(一) 单试样法
• 使用三点弯曲试样，其外形与KIC试样相 似，制备方法也相同。 • 试样尺寸 • 测定JIc时临界点的确定方法，和测定临 界CTOD一样，可通过电位法、电阻法、 声发射法、氧化发蓝法等。
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声发射法确定启裂点
• 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X-Y记录 仪，同时输入施力点位移△信号，从而可绘出S-△曲 线。由于声发射率峰值较多，一般采用声发射法与电 位法联合确定启裂点。
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一 G的力学标定
多试件法
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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 。在弹性范围内作出每 个试样的载荷-位移(曲 线。
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断裂韧性的测试原理-8
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断裂韧性的测试原理-25
4 试验结果的处理 (1) 三点弯曲试验
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4 试验结果的处理 (2) 紧凑拉伸试验
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4 试验结果的处理 (3) C形拉伸试验
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Related specifications
• GB 4161-1984 金属材料平面应变断裂韧度KIc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 JIc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
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断裂韧性的测试原理-40
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P-△ 曲线上某点处卸载取下试样，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 的扩展量。当观察到的裂纹扩展 量近乎为零或由不同的扩展量外 推到零的点应对应于启裂点。
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断裂韧性的测试原理-32
6 利用小试件测定KIC
J IC
1 2 K IC E
2
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断裂韧性的测试原理-33
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断裂韧性的测试原理-34
三 裂纹顶端张开位移δ c的测试原理
有多种标定裂纹顶端张开位移δ 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δc的原理与方法。 使用三点弯曲试样，其外形与KIC试样相似，制备方法也相同。
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断裂韧性的测试原理-24
确定裂纹长度a
• 断口形貌观察。在断裂 的试样断口上，用放大 倍数为30～50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。
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断裂韧性的测试原理-12
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断裂韧性的测试原理-13
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断裂韧性的测试原理-14
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
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断裂韧性的测试原理-15
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断裂韧性的测试原理-37
CTOD试验中的三类P-V曲线
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断裂韧性的测试原理-38
电位法确定启裂点
• 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 。试验时，用X-Y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 图所示。