斷裂韌度的試驗(yàn)方法及取樣原則
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2021-02-07 瀏覽：
斷裂韌度試驗(yàn)是在線彈性斷裂力學(xué)及彈塑性斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種評(píng)定材料韌性的力學(xué)試驗(yàn)方法，測(cè)定帶裂紋構(gòu)件抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力。測(cè)定帶裂紋構(gòu)件抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力可測(cè)試材料斷裂韌度、裂紋張開(kāi)位移、動(dòng)態(tài)斷裂韌度等性能參數(shù)。
20世紀(jì)以來(lái)，曾發(fā)生過(guò)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(wèn)題，美國(guó)在1958年組成ASTM斷裂試驗(yàn)專(zhuān)門(mén)委員會(huì)，目的是建立有關(guān)測(cè)定材料斷裂特性的試驗(yàn)方法。于1967年首次制定了用帶疲勞裂紋的三點(diǎn)彎曲試樣測(cè)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(gè)斷裂韌性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTME399-70T。此后，斷裂韌性試驗(yàn)受到世界各國(guó)的普遍重視并蓬勃發(fā)展。中國(guó)于1968年前后開(kāi)始這方面的試驗(yàn)研究。
靜態(tài)斷裂韌度
取樣原則
由于裂紋或類(lèi)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(yàn)采用帶尖銳裂紋的試樣，用直接觀察或間接測(cè)量法連續(xù)監(jiān)測(cè)裂紋的行為；如用夾式引伸計(jì)連續(xù)測(cè)量裂紋嘴張開(kāi)位移V 隨載荷P 的變化,以測(cè)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KIc、動(dòng)態(tài)斷裂韌度KIc、裂紋臨界張開(kāi)位移δc，應(yīng)力腐蝕臨界強(qiáng)度因子KISCC,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(kāi)型裂紋，或稱Ⅰ型裂紋,角標(biāo)c代表臨界值。此外，尚有滑開(kāi)型（Ⅱ型）裂紋，撕開(kāi)型（Ⅲ型）裂紋。Ⅰ型裂紋最易引起脆斷，所以目前斷裂韌性試驗(yàn)多限于Ⅰ型加載。
斷裂韌性對(duì)取向敏感
通常以兩個(gè)字母表示試樣取向，如TL，CL試樣，第一個(gè)字母代表裂紋面的法線方向，第二個(gè)字母表示預(yù)期的裂紋擴(kuò)展方向。L 表示坯料的長(zhǎng)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(shí)物上取樣時(shí)，應(yīng)首先對(duì)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力分析，然后在最危險(xiǎn)的裂紋位置和取向上取樣。
試驗(yàn)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(yàn)溫度和試驗(yàn)環(huán)境等外界因素均會(huì)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(huì)降低材料斷裂韌性，增加脆斷傾向。同時(shí),在一次加載下不擴(kuò)展的裂紋a，在疲勞載荷及應(yīng)力腐蝕作用下會(huì)產(chǎn)生緩慢的亞臨界擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到臨界尺寸ac后，試件斷裂。在選擇斷裂韌性試驗(yàn)條件，或選用斷裂韌性數(shù)據(jù)時(shí)，必須盡可能接近實(shí)際工作條件和環(huán)境。
裂紋擴(kuò)展的三種類(lèi)型
斷裂韌性參數(shù)的最大特點(diǎn)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(gè)參數(shù)，即能預(yù)計(jì)第三者。從而可對(duì)安全分析、事故分析、壽命估算、缺陷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行定量計(jì)算，并可用于安全設(shè)計(jì)、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(yàn)如下：
① 平面應(yīng)變斷裂韌度KIc試驗(yàn) KIc是材料常數(shù),單位為kgf/mm幫(或MN/m幫)。KIc越高，材料的韌性越好。KI＞KIc時(shí)，裂紋擴(kuò)展；反之,裂紋不擴(kuò)展。KIc試驗(yàn)適用于高強(qiáng)度脆性材料。
② 應(yīng)力腐蝕臨界強(qiáng)度因子KISCC試驗(yàn) 在腐蝕介質(zhì)中,如裂紋頂端的應(yīng)力強(qiáng)度因子KISC＜KISCC,裂紋不擴(kuò)展。單位同KIc。1975年美國(guó)海軍研究試驗(yàn)室制定了"金屬材料平面應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂抗力標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法"AD-A008，119。
③ 裂紋頂端臨界張開(kāi)位移δc試驗(yàn) 裂紋頂端張開(kāi)位移是裂紋頂端塑性應(yīng)變程度的度量，當(dāng)達(dá)臨界值時(shí)，裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致試樣斷裂。δc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。
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