断裂韧性试验

时间：2013-04-07 12:09:52 来源：作者：

在线弹性断裂力学及弹塑性断裂力学基础上发展起来的一种评定材料韧性的力学试验方法（见断裂力学）。
   20世纪以来，曾发生过多起容器、桥梁、舰船、飞机等脆断事故；事故分析查明，断裂大多起源于小裂纹。为解决金属脆断问题，美国在1958年组成ASTM断裂试验专门委员会，目的是建立有关测定材料断裂特性的试验方法。于1967年首次制定了用带疲劳裂纹的三点弯曲试样（图1 [两种常用断裂韧性试样]）测定高强度金属材料平面应变断裂韧性操作规程草案，并于1970年颁发了世界第一个断裂韧性试验标准ASTME399-70T。此后，断裂韧性试验受到世界各国的普遍重视并蓬勃发展。中国于1968年前后开始这方面的试验研究。
   取样原则  由于裂纹或类裂纹缺陷是导致工程结构断裂的主要原因，所以断裂韧性试验采用带尖锐裂纹的试样(图1[两种常用断裂韧性试样]),用直接观察或间接测量法连续监测裂纹的行为；如用夹式引伸计连续测量裂纹嘴张开位移V 随载荷P 的变化(图2[用夹式引伸计测裂纹嘴张开位移V随载荷P变化的曲线],以测定材料抗裂纹扩展的能力及裂纹在疲劳载荷或应力腐蚀下的扩展速率;求得平面应变断裂韧度K[ic]、动态断裂韧度K[id]、裂纹临界张开位移，应力腐蚀临界强度因子K[111-21] 111-21 [kg2] kg2 ,疲劳裂纹扩展速率da/dN（毫米/周）等断裂韧性参数。其中，角标Ⅰ代表张开型裂纹，或称Ⅰ型裂纹,角标c代表临界值。此外，尚有滑开型（Ⅱ型）裂纹，撕开型（Ⅲ型）裂纹（图3 [裂纹的扩展类型示意图]）。Ⅰ型裂纹最易引起脆断，所以目前断裂韧性试验多限于Ⅰ型加载。
   断裂韧性对取向敏感。通常以两个字母表示试样取向，如TL，CL试样，第一个字母代表裂纹面的法线方向，第二个字母表示预期的裂纹扩展方向。L 表示坯料的长度或主变形方向，T和S分别表示矩形断面板材的宽度方向和第三正交方向。R和C则分别表示棒材或饼材的径向和切向。当从实物上取样时，应首先对构件进行应力分析，然后在最危险的裂纹位置和取向上取样。
   试验选择  除材料本身和试样取向外，试样尺寸、应力状态、加载方式、加载速率、试验温度和试验环境等外界因素均会影响材料的断裂韧性。通常，平面应变状态、快速加载、低温会降低材料断裂韧性，增加脆断倾向。同时,在一次加载下不扩展的裂纹，在疲劳载荷及应力腐蚀作用下会产生缓慢的亚临界扩展，当达到临界尺寸后，试件断裂。在选择断裂韧性试验条件，或选用断裂韧性数据时，必须尽可能接近实际工作条件和环境。
   断裂韧性参数的最大特点是，这些表征材料韧性高低的参数与外加载荷、试样尺寸及缺陷尺寸间有定量关系。知道任何两个参数，即能预计第三者。从而可对安全分析、事故分析、寿命估算、缺陷评定标准等进行定量计算，并可用于安全设计、材料选择、材料和工艺研究等各方面。几种常用的断裂韧性试验如下：
   ①  平面应变断裂韧度[ic]试验  [ic]是材料常数,单位为[kg2] kg2 kgf/mm(或MN/m)。[ic][kg2] kg2 越高，材料的韧性越好。＞[ic]时，裂纹扩展；反之,裂纹不扩展。[ic]试验适用于高强度脆性材料。
   ②  应力腐蚀临界强度因子[111-21] 111-21 试验  在腐蚀介质中,如裂纹顶端的应力强度因子[111-22] 111-22 ＜[111-21] 111-21 ,裂纹不扩展。单位同[ic]°[kg2] kg2 1975年美国海军研究试验室制定了“金属材料平面应力腐蚀开裂抗力标准试验法”AD-A008，119。
   ③  裂纹顶端临界张开位移试验  裂纹顶端张开位移（图4 [裂纹顶端张开位移示意]）是裂纹顶端塑性应变程度的度量，当达临界值时，裂纹扩展而导致试样断裂。越高，材料的断裂韧性越好，单位为mm。此方法适用于中强度高韧性材料。