金属材料的断裂韧性

这样, 因 P 、 D 为已知常数 , 只要测定试 样的压痕直径 d , 代入式 (9) 即可得布氏硬 度值 H B。 一 般 是用查表法求得 H B 值 。 由 于布氏硬度采用淬火钢球 , 受压头本身的硬 度所限 , 所以只适用于 H B < 4 50 的材料 。 (2 ) 维氏硬度试验 维氏硬度与布氏硬度的测试原理基本相 同 , 不同的只是压头 ; 维氏硬度计采用一种 相对夹角为 1 36 。 的金刚石正四棱锥压 头 。 试验时施以一定 的负荷 , 垂直压入被测金属 的表面 , 经规定的保持时间后卸载 , 测量压痕 两根对角线的平均长度 , 计算压痕单位面积 上所承受的平均应力 (H , 二 P/ F凹 ) 即为维氏 硬度 , 用 H v 表 示 。 利用几何学关系 , 可以 导出 H v = 1 . 8 5 4 (P/ d Z ) (1 0 ) 所以只要测得压痕对角线长度 d 代入式 (10 )即得维氏硬度值 。 维氏硬度 的 负荷 范 围较广 , 从 P = Ik g f 至 p = 1 2 0k g f, 一 般把 P< Ik g f的维氏硬度称为显微硬度 , 记作H 。 。 维氏硬度由于没有压头变形的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 , 故适用 于软、 硬 、 厚 、 薄的材料 , 但试样表面要求 严格。 (3 ) 洛氏硬度试验 洛氏硬度是热处理车间现场检验中最常 用的一种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。 常用的洛氏硬度分为 H R A 、 H R B 、 H R C 三种表盘 。 它是采用一定的压头 配以一定的负荷 , 根据压入深度来确定的。 H R A 采用负荷 6 0 k g f, 用顶角为1 2 0 。圆 锥体金刚石压头 。 H R B 采用负荷 10 0 k g f, 直径为 1 . 5 8 8毫 米淬火钢球压头 。 H R C 采用负荷 1 5 0 k gf, 用顶角 为 1 2 0 。 圆锥体金刚石压头 。 H R A 用于测定高硬度材料 的硬度 , H R C 用于测定淬火 + 回火材料的硬度 , H R B 适用 于较软材料 。 金 属 材 料 的 断 裂 韧 性 王 承 忠 一 良 古、 J J ’ 口 经典力学理论和设计思想对十九世纪以 来许多灾难性的脆断事故是无法解释的 。 这 些脆断事故有三个特点 : 其一 , 破断应力远 低于屈服应力甚至设计应力 , 其二 , 断裂均 起源于微小裂纹 , 其三 , 低 温、 厚 截 面 构 件 、 高变形速度条件下容易发生脆断现象 。 真实的材料构件由于冶金及加工因素 、 不同 使用条件 (疲劳载荷 、 腐蚀介质、氢的渗入 、 中子辐射等 )均会导致类裂纹缺陷的出现 , 它们的存在破坏了经典力学中材料是均匀 、 连续 、 各向同性的基本假设 , 裂纹的存在和 扩展导致了材料的低应力脆断 。 经典力学忽 略了这一事实 , 因而无法解释 、 预测和防止 脆断事故的发生 。 五十年代产生六十年代迅 速发展的断裂力学则从材料中不可避免地存 在类裂纹缺陷这一前提出发研究材料构件的 强度及断裂 , 所以广义地说它是一种 “裂 纹 理论” 。 研究缺陷或类裂纹对金属材料断裂强度 的影响, 从而建立断裂判据 , 以解决工程中 金属构件的断裂问题是断裂力学 的 基 本 任 务 。 在断裂学科中可从能量平衡的角度和分 析裂纹顶端应力应变场的角度进行探讨 。 早 在 19 加年 Gr iff it h 就从能量平衡的角度研究 , 9 2 . 了带有裂纹体的玻璃陶瓷的断裂问题 , 对以 后的断裂研究和发展起了开拓的作用 。 1 9 5 7 年 li w in 对带裂纹体的弹性应 力 场 进 行 分 析 , 首次明确地提出了应力应变场以及应力 强度因子的概念 , 使断裂理论取得了重大的 突破 , 于是逐步形成了一个固体力学的新分 支—断裂力学 。 所获得的K 判据在工程中获得了成功的应用 , 推动了断裂 学 科 的 发 展 。 对于非线性情况下的弹塑性体 , 19 6 8年 R ic e 提出了围绕裂纹尖端的具有守恒性的 J 积分 [ ‘〕, 并由H u teh in s o n 、 R ie e 和 R o sen g r e n 在全量理论的基础上证明了 J 积分可用来描 述裂纹尖端地区的应力形变场强度〔2〕。 1 9 7 2 年 Beg le y 和 L end es 首次从实验中测 出 了 J 积分叫 , 对 J 积分理论的发展起 了 推 动 作 用 。值得指出的是 , 由于线弹性断裂力学的分 析方法在运用到压力容器用钢和可焊结构钢 时受到了限制 , 因而60 年代末 70 年代初首先 由英国工作者提出和发展起来的裂纹张开位 移 (CO D )方法得到了发展和广泛的应 用 〔‘] 。 类裂纹缺陷的存在破坏了晶 体 的 完 整 性 。 微观因素(诸如位错 、 缺位 、 第二 相 、 夹杂 、 晶体畸变等 )和宏观因素 (如裂纹 、 缺 口 、 高应变区 、 应力集中等 )都能引起 晶 体 的不完整性 , 而大大降低材料的强度 。 从物 理的角度研究晶体微观缺陷及组织与材料变 形和断裂之间的关系的学科称为微观断裂力 学或断裂物理 , 其主要任务是探讨材料断裂 的物理本质 ; 从力学的角度研究晶体的宏观 缺陷与材料变形和断裂之间的关系的学科 , 称为宏观断裂力学 , 常简称为断裂力学 。 如 果裂纹顶端的塑性区较小 , 可用线弹性力学 的知识来解决带裂纹体材料的断裂问题 , 这 种断裂力学称为线弹性断裂力学 ; 如果裂纹 顶端塑性区较大 , 发生所谓大范围屈服或全 面屈服 , 就需用弹塑性理论来解决材料的断 裂问题 , 这样的断裂力学就是弹塑性 (或非线 性 )断裂力学 。 考虑到化学介质对断裂 强度 的影响, 又产生了断裂化学新分支 。 可见断 裂学科是一门新兴的边缘学科 , 它与其他学 科诸如力学 , 物理 、 数学 、 材料学 、 化学等 有着非常密切的关系 。 由于此学科的立足点是应用 , 因而近二 十年来这门学科得到了迅猛的发展 。 在理论 上它建立了新的概念和参数, 在实验上给出 了一系列断裂韧性参量 K , 。 、 6 。 、 J , 。 、 K : d 、 K 1. 、 “1 , 。。 、轰、△K : 五⋯⋯等的测试方法 ; 在 应用上对于材质评定 、 最佳工艺选择、 断裂 强度校核 、 裂纹容限的制定 、 防断设计 、 寿 命估算 、 事故 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 、 制定安全措施等方面 , 比起径典力学方法来说 , 提供了更为严密可 靠的依据 。 它的成果已普遍 用 于 冶 金 , 机 械 、 航天 、 造船、 化工等各工业部门 , 并取 得了很大的成效 。 带有类裂纹缺陷的金属材料及其构件在 断裂过程中都呈现出一定的抗裂纹开展和扩 展的能力 , 这种物理特性称之为断裂韧性 。 描述这种物理特性的参数就是断 裂 韧 性 参 数 。 就断裂学科中的断裂力学而言 , 其核心 任务就是研究材料的断裂韧性及其参数 , 并 根据这些参数建立断裂判据 , 以供研究和应 用 。 本文 由于篇幅所限 , 仅对断裂韧性的基 本原理 , 测试及应用作简单介绍 。 二 、 断裂韧性的基本原理 1 . G r iffith 能t 理论及 G 判据 1 9 2 0 年 G r iffith 用能量平衡法研究 T 玻 璃陶瓷的断裂现象。 其根本论点是 : 如果裂 纹周围材料所释放的弹性应变能等于或超过 能使裂纹扩展所需的能量 , 则毋须另加载荷 或增加贮藏的弹性应变能 , 裂纹就会发生扩 展 , 由此观点 , 对于无限大板中长度为 2a 的 穿透裂纹 (工型裂纹 ) , 应用 Ih g lis 对穿透椭 圆孔受拉力的应力分布解 , G ri ff ith 推得 , 在 临界状态下 ; 一 9 3 , _ _ ‘ 几它;了 。 c 一 飞l—, 兀 a f E 弓 E t厂平 平面应力、 ) ( 1 )平面应变 z一一E 了了恤、、 ..亨卜 ! .山百.且.山下 1 1万”1..丫一..工下 式中 : T 为材料单位面积的表面能 , a 为裂 纹半长 , E 为弹性模量 , v 为泊松比 , a 。为 临界应力 。 这就是著名 的 G ri ff ith 脆性断裂能量判 据 。 他第一次成功地从理论上建立了临界应 力与裂纹尺寸之间的关系 。 然而 , 由于此理 论只考虑了表面能 , 只适用于很脆的材料 , 对 于具有一定韧性的金属材料就不适用 。 1 9 4 9 年 o r o w a n 考虑了塑性变形能 , 对G r iffith公 式进行了修正 , 修正结果是用 ( T + u P ) 代替 ( 1) 式中的T 即可 , 而 u P 是裂纹扩展单位面 积所需的塑性变形能 。 在能量判据中 , 裂纹每扩展单位面积弹 性系统所能提供的能量 , 称为应 变 能 释 放 率 。 裂纹每扩展单位长度所需的力称为裂纹 扩展力 , 由G 表示 , 对于 1 型裂纹 , 有 : 区域的应力应变场进行研究所得的结果 。 他 对于图 1 所示的 工型裂纹采用复变函数法进 行分析 。 利用拉应力张开裂纹的边界条件定 出复应力函数 Z , 代入平面问题的复变函数 解中 , 就可获得裂纹顶端附近的应力应变场 分布 。 这里 , 为压缩篇幅 , 不 引 出 应 力、 应变和位移的全部结果 , 就应力场分布而言 , 它具有 : ,工图 U G l 二 兀a a Z E , ( 2 ) 于 张开型贯穿裂纹及应 力分布 G : 的量纲是公斤 一 毫 米/毫 米“或 磅 / 时 。 对于临界状态 , G : 达到 G , 。 , 裂纹失稳 , 由此而建立的 G 判据是 G ; 》G , 。 , 这 表明裂 纹开始扩展 。 G ;。 越大 , 裂 纹扩展所需的能 量就越大 , 即材料抵抗裂纹扩展 的 能 力越 大 。 可见 G l 。 是 材料抵抗裂纹扩展能力的度 量 , 因而称为材料的断裂韧性 。 但因设计应 用上不太方便 , G , 。 的应用受到限制 。 2 . 裂纹顶端的应力应变场及应力 强 度 因子 2一 1 裂纹顶端的应力应变 场 和 K 判 据 : 应力强度因子 K 是断裂力学中一个最基 本的物理量 。这是 1 9 5 7年 Ir w in 采用 w e s te rg - aa rd 应力函数法 , 对平面问题裂纹前缘附近 K , = ~布资牛二 1 i j又U 少 Ll 一J = X , y ) 气j ) V 艺冗r 的形式 , 应变场分布也具有类似的形式 , 对 于 11 、 l 型裂纹也可得到类似的结果 。 式中 e 为极坐标的极角 , r 为极轴 , f; J( e) 是 e 的 函数 , K ; 二 a 了血 , 对其他张开型裂纹 : K : = y a 扩 a ( 4 ) 式中 : y是裂纹组态 、 加载方式和试样几何 形状的函数 。 应看到这个 K : 是 各 个应力或 应变分量都共同具有的因子 , 它的大小决定 了应力应变场的强弱 , 称之为 “弹性应 力应 变场强度因子”常简称为“应力强度因子” 。 由( 3) 式可看出当 r、O 时 , 全部应力 (或 应变 )分量都趋于无限大 , 这在数学上 称 奇 异性 , 奇点为 r 二 。, 奇异性的幂为 r 一 ‘了2 , K : 就是描述这种奇异性强度的力学参量 。 注意 : 这种奇异性所描述的是理想的数 学尖裂纹 , 这在实际的金属材料中是不存在 的 , 存在的是钝裂纹 。 由于裂纹尖端屈服所 引起的应力松弛效应 , 尖端的应力是不可能 无限大的。 裂纹发生临界失稳扩展是和裂纹顶端的 应力应变场密切相关的 。 因而 K : 是 决 定断 裂已否发生的主要因素 , 所以可 按 K : 建立 脆性断裂判据 。 由(4) 式可知 , K , 与 外加应 力 , 裂纹长度及试样几何尺寸有关 。 在试样 几何形状一定时 , 它随应力的增大或裂纹的 增大而增大 , 当 K : 大 到 足以使裂纹前端材 料分离而迅速失稳扩展时 , 则可认为达到了 l右界状态 , 此时的 K , 为 K lc , 称 为 临 界应 力强度因子 。 由此建立了断裂力学的一个基 本判据 : K z》K , 。 (5 ) 此即脆性断裂判据或 K 判据 。 当上式满 足时 , 裂纹迅速失稳扩展 ; 反之 , 裂纹处于 稳定状态 。 应该指 出 : K l。 是 K , 的 临界 值 , 表征 材料抗裂纹扩展的能力 , 是度量材料韧性好 坏的一个定量指标 。 它是材料的特征参数 。 在加载速度和温度一定的条件下 , 对某种材 料而言它是一个 常数 , 即 K , 。 是 材 料 质量 (包括热处理状态 )本身的一种抗裂纹扩展特 性的参量 。 它的量纲为公斤/ 毫 米 “邝 (k g f/ m m 3 12) , 国外常用千磅/ 时 3 12 (ksi心in ) , 兆巴 · 米 ‘I“(MPa 了 m )的单位 , 其换算关系见附录 。 2一 2 裂纹顶端的塑性区及其修正 对于金属材料 , 即使是超高强度钢也具 有不同程度的延性 , 当裂纹前缘的正应力等 于或大于有效屈服应力 。: : 时 , 材 料就要屈 服 , 发生塑性变形 。 材料一旦屈服就不遵从 弹性规律 , 因此线弹性断裂力学在屈服区中 是不适用的 , 然而 , 对于小范围屈服 , 可进 行修正 。 最简便实用的方法是 “有效裂 纹 长 度法” 。 修正时, 用等效裂纹长度去代替 实 际裂纹长度 , 则线弹性断裂力学分析仍然有 效 。 详见文献〔5 , 10〕。 3 . 弹塑性状态下的断裂韧性 高应变区和高残余应力区中裂纹顶端的 应力应变状态 , 是一个非线性问题 , 显然 , 不能用建立在线弹性理论基础上的线弹性断 裂力学理论来描述 。 应用广泛的中低强度高 韧性钢材的断裂常属于此类问题 。 对此类钢 材的试样而言 , 其裂 纹顶端的塑性区尺寸与 试样的有关尺寸相比已不是小量 , 常达到同 一数量级 。 在裂纹扩展前韧带已大面积屈服 或整体屈服 。显然用塑性区修正是无效的 。另 外 , 对于工程应用而言 , 高强度钢用尺寸不 太大的试样即可满足测试 K , 。 的 要求 , 而对 中低强度高韧性钢材而言 , 要直接测试有效 的 K : 。 值 , 则试样尺寸往往非常 之大而无法 实现 。 因此必须研究弹塑性状态下的断裂韧 性及判据 。 J 积分和裂纹顶端张开位移就是 两个主要的弹塑性判据或延性断裂判据 。 许 多工作表明二判据间具有一致性〔”, 8 〕。 3一 I J 积分及其判据 。 1 9 6 8年 Ri ce 分析了二维裂纹尖 端 地 区 应力形变场强度 , 从能量守恒出发提出了具 有守恒性的 J 积分 [ ” “, “ , ’。] : = {「w d y 一 宁(粤、ds l (6 ) J r L \ O X / J 式中: w = w (·二。 ) 二 I: “” · ; Jd· ; : 为 应力形 变功密度 , 。; j和 % 。 为 全 应 变分量 。 如图 2 所示 T 为张力矢量 , u 为位移矢量 , r或r’ 是裂纹下表面逆时针方向(为正向 )至上表面 任一点的任意积分回路 。 对于单调加载的弹 塑性情况 , 根据平衡微分方程 , 应变位移关 系及格林积分变换可证明 J 积分有两个重要 性质 : 即守恒性一 J 积分数值与积分路径无 关 , 和等效性一J积分的回路积分定义与形变 9 5 - O. J t t t 个 盏和争了 J 卜藻卿斗斗、 厂 l 番 { l J ~ 图 Z J 积分的回路积 分定义 功率定义是等效的。 所谓形变功率定义是 : ‘二 一言(器)△ (7 ) H R R 理论。 若应力形变场强度随外加 载 荷 增加而增大到使裂纹启裂的临界点时 , J 也 达到临界值 J , 。 而 与 试样几何无关 , 由此建 立了 J 判据 , 对 工型裂纹有 : J ; ) J z 。 ( 8 ) 它表明: 在弹塑性条件一F , 裂纹尖端的塑性 应力形变场由 J 积分控制 。 J , < J 工。则裂纹安 全 。 式(8) 满足则裂纹启裂并向失稳态过渡 。 J 的量纲是公斤 /毫米 。 J 积分方法的优点是积分数值与路径无 关 , 从而可避开难以分析计算的复杂的裂纹 尖端区域 , 它是一个有严格定义的塑性应力 形变场参量 , 数值可 由实验测定 。 但 J 积分 是二维的 , 所以只适用于平面问题 。 由于只 能单调加载而不能卸载 , 所以只说明裂纹扩 展的开始而不能说明全过程 。 3一2 . 裂纹顶端的张开位移 材料屈服后 , 形变 的发展较应力快。 此 时用形变描述材料的特性当然比 用 应 力为 宜 。 “Cr a ek T o p O p en in g D isp la e e m e n t,, 简 写为 CO D (6 )就是这类断裂韧性指 标 。 它的 形成如图 3 所示 , 在载荷作用下 , 由于滑移 , 裂纹顶部在开裂以前随载荷增加 而 逐 渐 钝 式中: U 为形 变功 , △为 施 力点 位 移 , B 为 试 样 厚度 , a 为 裂 纹 长 度 。 因为塑 性变形不可逆 , 所以裂纹试样的应力形变状 态只有在各处体元单调加载的条件下才能由 形变功单值确定 。 因而在弹塑性 断 裂 理论 中 , 用裂纹长度 a 及 a + da , 厚 为 B 的二个 外形相同试样 , 单调加载到相同位移所需的 形变功差率(7) 式来描述应力形变场强度。单 调加载就不允许卸载 , 而裂纹扩展就意味着 局部卸载 , 所以(7) 式不能认为是裂纹 扩 展 的能量变化率 ! H u te hin s o n 、 R ie e 、 R o s e n g r e n 在全量理 论的前提下证明了裂纹尖端塑性应力和形变 场奇异性幅值由 J 积分数值和流变特性来决 定〔“〕, 这说明 J 就是应力形变场强度 。 此即 !沪 讲》 : : 二二二一气 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf · 爪裂刃磷 、载荷P坛加 图 3 C O D 和 SZW 的形成示意 图 化, 形成了张开位移 6 和伸张区宽度蛇w 和 高度 S ZD 。 实验 表 明 当 6 、 SZW 和 5 2 0 达 到某一临界值时 , 其裂纹顶端与前方第一排 空穴连通 , 此即纤维启裂 (d ) , 此时钝 化 达 饱和 , 相应的 6 , 或 SZW ; 就是启裂值 , 它是 材料的特征常数 , 它描述了材料中裂纹顶端 塑性变形能力的大小 。 6 ; 大 , 塑性储备高 , 断裂韧性好 , 不易脆断 , 反之亦然 。 由此建 立的 CO D 判据是 : 6 ) 6 。 (9 ) 它表明 : 若 6 ) 氏则 裂纹处于危险状态 , 若 己< 6 。 则 处于安全状态 。 在应用中取启裂值 6 ; 作为临界值 6 。 。 它的量纲是长度单位 (毫 米 ) 。 为找到 6 与裂纹长度及应力之 间 的 关 系 , D u g d ale 建立 T D 一M 模型 [“, ‘。1, 给出了 低应力水平 (o /a s ( 0 . 5) 下的CO D 公式 : “二箫‘一暖) (10 ) 应用于压力容器时 , 考虑到鼓胀效应 , 上式 的 。 应修正为 M a , M = (1 、 。菩丫’2为鼓胀” 硕 一 ~ ’夕一~ 一’一 ’ 一 犷 ’ 一’ R t , ~ ~ ,J. 、 修正因子 , Q 的 取值对圆筒轴向贯穿裂纹为 1 . 61 ; 圆筒环向贯穿裂纹为0 . 3 2 ; 球形容器 贯穿裂纹为 1 . 93 , R 为容器半径 , t为壁厚 。 在大范围屈服条件下 , 应 采 用 CO D 的全面 屈服公式 : 6 = 2兀e a (1 1 ) 式 中: e 为当量应变 , e = u / E 。 CO D 方法物理概念直 观 简单 , 在实验 上可用小型三点弯曲试样通过间接的方法测 出 , 测试简单 、 结果稳定 , 而且有些国家根 据 CO D 判据对工程结构中发生 断 裂最严重 的焊接结构和压力容器 , 已经提出一套从线 弹性到全面屈服区中裂纹容限的简单计算方 法 , 有效地解决了实际问题 , 得到了工程界 的广泛应用 。 4 . 断裂韧性参数间的关系 此问题对于理论研究和工程应用都是非 常重要的 , 限于篇幅只引出结果 而 不 加 推 导 。 在线弹性或小范围屈服条件下 , 可以证 明 : J ; 二 K , 2 / E ’ = G 工 ( 12 ) 从无硬化 的 D 一M 模 型 和 J 积分定义可 证明: J l = a : 6 (13 ) 也可证明 : K ; 2 = E ’ a s 6 (14 ) 如果考虑到硬化作用 , (1 3 )(14 )式右端还必 须乘上一个 日因子 , 于是利用上述关系 , 对 临界状态有 : K ; 。 = 寸E ’J :。 = 斌p E ‘ 0 5 。。 (15 ) 特别有价值的是 , 在启裂机制和扩展机 制一致的前提下 , 可用上式将小试样在弹塑 性条件下测出的 6 。 或 J ;。 值直接换算 为 K lo 值 。 实践表明 , 换算的Kl 。 值与 直接测试 的 K I 。 值基本吻合 。 从而初步解决了中低 强 度 钢直接测试 K l。 值的困难 。 上述关系表明 , 关系因子 日已将 Kl , Jl , 6 直 接联系起来 , 它的变化规律 、 物理意义、 取值 等 问 题 无 论在理论上或应用上都 是 非 常 重要的 , 详 见文献〔7 , 9〕。 由于 K ; 和 J , 都是具有严密理论基础的 描述裂纹尖端应力应变场大小的参量 , 而由 D 一M 模型可证明 6 与 J , 以及 6 与 K , 有直接 关系 , 这从理论上间接地证 明 了 C O D 是描 述裂纹顶端应力应变场的参量 。 三 、 断裂韧性参数的测试 1 . 侧试的简单原理 : 目前广泛采用的方法实质上是电测记录 法 。 实验中载荷和位移通常利用传感 器 <表 面贴有电阻应变片的弹性元件 )和引伸 计 分 别将力和位移信号转变为电信号 , 经放大后 由 x 一y 记录仪自动绘出实验曲线 (见图 4 ) , 经数据处理后得到所需的断裂韧性参数 。 目 户 9 7 . 前广泛使用美 国 M T S 、 英 国 Ins tro n 、 日本 岛津 IS , D CS , A G 等型号的电子拉力机进 行 测量 。 一般材料试验机必须配上传感器或位 移变送器并经过精确标定后方可使用 。 (((((((((((((((((((((((((((((((户 、、 一一Ll . 三鱼」叫卜卜卜 巴竺‘‘ 一一一一,, 厂一门门尸.一一一一一一一 试样尺寸必须同时满足线弹 性 (或准弹 性 ) 条件、 平面应变条件和 K : 。近似成立条 件 。 理论分析和大量实验表明, 对标样具体 要求是 : 、上 ~ ~ ~ , _ _ _ / K : _ 、2试样厚度 B ) 2 。 5【兰全进生 】 (1 6 ) \ 0 5 1 ~ , ~ _ _ K : _ 2 去妻犯 D 弃己4 U U一二一一七口 s (1 7 ) 图 4 断裂初性试验装置连接示意 图 2 。 平面应变断裂韧性 K , 。 的洲试 : 裂纹在平面应变条件下的扩展较平面应 力条件下的扩展容易 , 所以常用 工型裂纹的 厚板进行试验确定其 K l。 值 , 称 为 “平 面应 变断裂韧性” 。 测试关键是测得载荷一 张 开 位移(P一V )曲线 , 确定 PQ 值 , 按有关规定求 出 K ,。 值 l, , ,。 ] 。 (1) 试样要求 : 根据美国A ST ME 一 39 9 , 我国 Y B 9 47 一78 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 , 采用标准三点弯曲试 样 (T PB )和标准紧凑拉伸试样 (CT ) 进行测 定 , 见图 5 。 裂纹长度 。 , 韧带宽度 (w 一 a ) 也必须 满 足 ( 1 6 )式 。 (2 ) K Q 值的有效性判断 : 根据有 关 规 定从 P一 V 曲线上定 出 PQ 值 , 代入相应形式 试样的 K , 表达式中求出 K Q 值 , 然后根据 : 厚度判别式 ”) 2 · 5(劲2 (1 8 ) 儡儡扼石石石石石加加 , 了和 ·夕夕 、 , 六知。。。 门门 JJJJJ.........‘‘‘‘ (咐扭 , 筋曲林祥‘ 二“ · ‘ 二“ 引引引一甲甲lll畜畜口口口矛矛矛矛瓜,“ ,,卜卜。叫叫{。。r ,,】】 认 I ‘‘‘王王王 LLL, 兮侧上已咖 资资 巨巨. = 口口 卜卜一一一一 LLL一日日}}}}} 一一一 二二粤“ . , ... “ , 沐衣非紧’灸农呻‘式样 ‘ 二 ‘” 图 5 汉味K l。 的标准试样 . 9 8 , 载荷比$IJ 别式 Prn a x / p Q镇 x . 20 (2 9 ) 进行验证 , 若二条件皆满足则 K Q 就是有 效 的 K , c 值 , 否则必须加大试样重新测定 。 3 . 弹塑性断裂韧性参教 J , 。 和 6 。 的 浦 试 (l) 试样的尺寸要求 ; 为满足 Jl 。 的有 效性条件以及保证韧带宏观地区的屈服基本 上属于平面应变型 , 试样尺寸应满足 : B ) Za 玉c-- (2 0 ) G s 式中 : a 的取值对钢为 25 , 钦合金为 40 , 铝 合金为6 0 。 应该说满足 J , 。 测试试样厚度要 求的尺 寸也适合测 试其 。。 值 , 将Jl 。 = 日;几。。 代 入 (2 0 )式得 : B ) (5 0一1 2 0 )日; 6 。 (2 1 ) 因日; 值在 1 一 2 之 间 , 所 以 最 小 尺 寸为 B ) 5 0 6 。。 根据 我 国 G B2 0 3 s一 5 0 和 G B 2 3 5 s一8 0 标 准 , 对 于 Jl 。 和 。。 的 测 试 可 采用类似于图 5 (a ) , S = 4W 的 T PB 试样 , 尺寸为 : B Z 。标样 B = 2 0 m m w 二 2 4 m m , 中低 强钢优先采用 。 B : 5 标样 B 二 1 5m m w = lsm m , 铝、 钦合金优先采用 。 当然也可采用 W 二 ZB 或 W = B , B “材料厚 度的 T PB试样进行测定。 (2 ) Jl 。 的测试 : 根据形变功率 定 义 , 设法获得载荷一施力点位移 (P一△)曲线来完 成 。 早期提出的多试样法 〔3 , ’“]由于麻烦 , 试 样制备困难 , 已不加采用 , 而采用单试样法 和阻力曲线法进行测定 。 单试样法可采用以 下二式计算 J 积分 : 2 U B (W 一 a ) (2 2 ) J = J . + J p 1 一 俨 E K 1 2 + ZU p B (W 一 a ) (2 3 ) 式中 : u 为试样所接受的形变功 u = {: Pd△ , 认 为 U 中的塑性部分 。 用 (2 2) 式 计算时需 扣除测量系统所引起的虚功 , 用 (2 3) 式计算 时 , 可不必扣除虚功 。 (3) 6 。 的测试 : 虽曾有人提出用硅橡胶 复型和扫描电镜的方法直接测试 6 值 , 然而 由于 。是一个十分微小的应变量 , 加上裂纹 顶端的复杂性 , 因而直接法往往 是 事 倍 功 半 。 有效的方法是间接测量法 , 它是在铰链 机构的基础上 L‘, 5 , ‘“1测出裂纹嘴刀口间 的 位 移 V (即测出 P一V 曲线 )来求得 6: V a + Z r(W 一 a ) (2 4 ) 式中 : V 为裂纹嘴刀 口间的位移 , Z 为刀 口 厚度 , r 为转动因子 。 求 6 的公式还有 W ell s 公式和近期推荐的公式 : ! :一0K一犷I一‹乙 6 = 6 。 + 6 p = 0 . 5 0 。 4 5 ( W 一 a )宁 不万弓W 不万污亏牙干玄 v p 气乙。’ 式中 : V , 为刀 口间张开位移的塑性部份 。 可见只要在 P一△和 P一v 曲线上定 出临 界点 , 即可得到△。 、 U 。 、 玩 , 。 、 矶 和砚 , 。 , 于是可利用 ( 22 ”25 )式分别求出 J : 。和 6。 值 。 (4 ) 临界点的确定 : 对于 Jl 。 和 O。 的测 试 , 关键是临界点的确定 。 实验表明 , 启裂 J , ; 和 6 ; 值是材料的常数 ,而按其他任何观点 测得的 J 和 6 , 强烈依赖于试样尺寸 〔5 , 3 , ‘。〕, 不是材料的特性常数 , 因而 , 目前广泛采用 启裂点作为临界点 。 确定启裂点 的 方 法 很 多 , 一般用物理监测法 , 如电位法、 氧化发 兰法、 二次疲劳法、 金相剖 面 法 , 声 发 射 法 、 电阻丝法、 涡流法、 计算机法等 , 详见 文献 [ 5 , 1 0〕。 4 . 裂故稚定扩展的 R 阻力曲线法 大量实验表明 , 对于大多数高韧性中低 强钢而言 , 裂纹开裂后不会马上失稳扩展 , 它们具有一定的抗裂纹扩展能力 , 有一个稳 定的亚临界扩展阶段 。 这是因为裂纹的稳定 扩展要在已经形变硬化的塑性区中进行 , 继 续扩展所需的能量 , 当然要增大 , 即抗力增 大 。 裂纹在稳定扩展条件下的断裂韧性称为 裂纹扩展阻力 。 当塑性区中形变硬化对裂纹 扩展的阻碍作用趋于饱和或发生 解 理 断 裂 时 , 扩展阻力才达到饱和或最大值 。 联系扩 展阻力与瞬时裂纹长度增量的关系曲线称为 裂纹扩展阻力曲线 。 用它来评定材料的断裂 韧性更为全面 , 因为它描述了裂纹纯化饱和 开裂到稳定的亚临界扩展以至失稳断裂的全 过程 。 这是一种有发展前途的方法。 目前国 内外 , 如美国 A ST M E 2 4委员会 、英国 B S5 7 6 2 一 1 9 7 9 、 我国 G B 2 0 3 8 一8 0和 G B 2 3 5 8 一 8 0 的有 关 J 和 CO D 标准中都采用 R 阻力曲线 法 求 得一系列的延性断裂韧性值 。 材质均匀的材 料宜用此法 , 它实际上是多试样法 。 其阻力 值用式( 2 3 )和 ( 2 5 )计算, 试样可用 B : 。和B : 。 标样 , 每组一般需7一10 只详见文献 [ 10 〕。 如材质不均匀或试样数量少 (事故 分 析 等 ) , 则不宜采用 R 曲线法 , 这时只好用有效 . 9 9 奋 的物理监测法决定开裂点 , 求得材料的断裂 韧性 l“, ‘“J。 四 、 断裂韧性参数在 工程中的应用 此学科之所以发展迅速 , 其原因就是它 不仅解释了许多断裂现象 , 而且解决了许多 工程上的实际问题 。 其应用主要可规纳为下 列几个方面 : (1) 对带裂纹体的构件进行 断 裂强度的校核和设计 , (2) 估算构件的疲劳寿 命 , (3) 根据断裂韧性参数选材及评价 热 处 理工艺和加工工艺 , (4) 分析计算裂纹容限 , 制定产品验收规范 , (5) 分析断裂事故 , (6) 应力腐蚀及其他方面的应用 。 限于篇幅本文 仅对某些方面作简要介绍 。 1 . 用 K 判据进行断裂强度校核和设计 1一 1 . 应用程序 : (l) 应力强度因子K ,的计算: 对于构件 的危险断面 , 由探伤所得的资料 , 对缺陷的 形状 、 位置 、 大小和分布加以分析计算 , 查 明受力状态 。 最后根据裂纹模型 、 尺寸和应 力即可计算K l(不同情况的 K , 表达式可查断 裂力学手册 )。 (2) 测出材料的 K , 。值 , 供校核和设计 时使用 。 (3 ) 令K : = K , 。, 求出临界应力 。。或临 界裂纹尺寸 a 。 , 引进安全系数 , 即可求得允 许工作应力或允许裂纹尺寸 , 得到加载的控 制参数和探伤的验收标准 , 并可对构件的安 全性做出判断 。 1 一 2 应用实例可参阅〔1 0〕。 2 . 根据 C O D 参数进行断裂强度校核和 设计 。 2 一 1 应用程序 (1) 缺陷分析 : 将构件 (如压力容器 )的 缺陷按一定规则折算成当量穿透裂纹 百。 (2) 应力应变分析 : 对构件进行应力应 变的全面分析 , 以便计算 a / o , 和 e = o / E 以 供使用 。 (3 ) 令 。二 6 。 由式 (10 )或(1 2 )求出启裂 应力 a ; 和临界裂纹尺寸 a。 , 令 己二饥a 二可求 出爆破应力um ax 。 2 一 2 应用实例从略 。 3 . 根据断裂韧性参教进行材料 及 热处 理制度的选择 。 断裂力学出现以前 , 安全设计和选材的 注意力集中于增大强度安全储备量 , 然而这 往往会降低材料的韧性 , 增加脆断的危险 。 断裂力学的出现改变了这种设计方法 , 即选 材或设计时应同时考虑材料的强度储备和韧 性储备 , 全面地对材料及热处理制度进行选 择 。 利用断裂力学知识可对材料的韧性提出 定量的要求 , 实例请见资料〔1 0〕。 五 、 动态与发展 断裂力学是一门年青而具有生命力的学 科 , 不论理论 、 测试和应用等都还处于迅速 发展逐步完善之中。 如在断裂韧 性 参数 方 面 , 除K : 。、 J , 。、 6 。、 K ls 。。一些较成熟的指 标而外 , 近来有的学者提出应深入系统地研 究诸如 : 动态韧性即撕裂模量 T 、 断裂功 、 复合断裂判据 、 S 判据 、 解理断裂应力 、 止 裂韧性K : : 、 还有K ld 等。 除研究断裂韧性参 数及判据本身而外 , 重要的是要研究影响因 素 , 以找到提高金属材料断裂韧性的有效途 径 。 在测试方面 , 计算机数据处理并确定启 裂点 , 也是一个新动态 。 有的学者将断裂力 学应用于诸如低周疲劳 、 高温裂纹蠕变断裂 等领域中去 , 研究其交互作用 , 并且初步取 得了一些成效 。 应该指出 , 只有宏观与微观相结合 , 才 能对材料断裂的物理本质有所发现 。 因此 , 必须探讨断裂韧性参数与材料成份 、 显微组 织 、 位错组态 , 以至原子结构间的关系 , 断 裂学科的研究才可能有所突破 。 J 积分及阻 力曲线在工程上的应用等都是一些具有吸引 一 1 0 0 - 力的研究方向。 近来引进了概率统计理论来 研究断裂问题 , 给出了断裂力学应用的可靠 性概念 , 形成了概率断裂力学新分支 , 它与 目前发展中的弹塑性断裂理论将对整个断裂 学科及工程应用作出重要贡献 。 附录 应力强 度因子单位换算表 10 68 . P . 3 7 9 〔2 〕 J. W . H u teh iso n , J. R . e n gr en J . M ee h , S o lid s , 1 。 R iee , G . F . R o s - 2 6 (19 6 a) P . 1 3 , P . 断裂韧性单位 公斤/ 毫 米 3 ’2 (k g · rnm 一” 名) 千磅 /时 3 1 2 (K Si了而 ) 兆巴 · 米 i , 2 (M P a了石 ) 公斤/ 毫米 “邝 千磅/ 时 “哆 兆 巴 · 米 工J2 1 。 0 0 3 。 5 5 3 。 23 0 。 2 8 2 l 。亡0 0 。 9 1 0 . 3 1 0 1 。 1 0 1 。 0 0 力 、 应力单位换算可参阅〔10 〕。 参 考 文 献 [ 1 〕 J. R . R 三e e , J. o f A p p lied M ee ha n ie s , Ju n e C 3 〕 J . D . L a n d e s a n d J . A . B e g ley A S T M ST P 5 1连 (19 7 2 ) P . 1一2 0 , P . 2 1一4 0 . 〔4 〕合肥通用机械研究所 , “CO D 测试技术的初步探 讨 ” , 断裂力学学习班资料 1 9 7了. P . 1 9 2 . 〔5 」陈篮 、 蔡其巩等编 , “工程断裂力学”上册 19 7 8 . [ 6 〕 “ Sta n d a rd T e st M e th o d fo r Pla n e Stra in Fr a et u r e T o o g h n e ss o f Me ta llie Ma te ria ls , A S T M E 一 3 9 9 . 〔7 〕 5 . A . Pa r a n jp e a n d 5 . B a n er je e E n g in ee rin g - Fra etu re M e eh an ies 1 9 7 9 摊 1 . P . 4 3一5 3 〔8 〕王承忠 、 吴素生 、 钟文达、 “化工与通 用 机 械 ” 19 5 1年第 2 期 P . 3 一 s [ 9 〕 王承忠 、 吴素生 、 钟文达 , “上海钢研 ” 19 8 1年 第 l 期 P . 25一 3 5 〔10 〕王承忠 , “上海金属 ” , 19 5 3年第 s期 (P . 6 4一76 ) , 第 4 期 (P . 6 5一5 3 ) . 金 属 材 料 的疲 劳裂 纹扩 展 王 承 忠 由于绝大多数金属构件是在交变载荷作 用下工作的 , 因而疲劳现象在生产实践中是 普遍存在的。 在破断事故中 , 约有90 %以上 是由于疲劳断裂所造成 , 因而疲劳断裂一直 是十分重要的研究课题 。 经典的疲劳强度研 究采用光滑试样或缺 口试样的 S 一 N 曲线 或 △e 一 N 曲线来得到疲劳强度极限 a r , 以此进 行 “无限寿命设计”或“安全寿命设计 ” 。 这实 质上是一种无裂纹寿命设计 。但事实表明 , 往 往在远低于 a , 的情况下 , 也发生了破 断 事 故 , 这是由于各种原因使金属构件内存在着 各种类型的裂纹缺陷所致 。 因而单凭光滑试 样得到的 a , 进行设计不能代表金属构 件 的 实际状态 。 断裂力学的发展推动了疲劳断裂 的研究。 实验表明 , 原始微小裂纹在交变应 力作用下会发生缓慢 的扩展 , 当裂纹尺寸达 到临界尺寸 a 。 时 , K : 达到 K : 。 , 破断事故发 生 。 这说明不仅要研究裂纹体的静力学还需 研究裂纹体的扩展动力学 , 才能对因裂纹扩 展而引起的破断现象有全面的认识 。 ~ 、、 , , , , , , 一 。 , ~ 一一二 ~ ~ d a , _ 。,应该指出 , 疲劳裂纹的扩展速率 -桨和门一 一 ‘ 曰 ~ ’一 ~ ~ ~ ~ 少 ‘~ ~ ’ dN 一 , ” ’ ‘ 槛值 △K , 、是决定金属构件的有裂纹寿 命 的 主要参数 。 近来 , 在此基础上建立了比经典 设计有效的“破损安全设计” 或 “剩余寿命设 计" 。 疲劳裂纹扩展的特性及规律在理论上不 仅是疲劳破断机理研究的中心任务 , 在工程 1 0 1