第五章材料的断裂机理和断裂韧性_材料的宏微观力学性能

32
a 492.6 W
52
a 663.4 W
72
a 405.6 W
92
不同试件及其KIC的表达式 6.切口圆棒拉伸试件
K IC
P d f 32 D D
六种试件的适用范围
1、三点弯曲试件和紧凑拉伸试件均为标准试件。 三点弯曲试件所需的夹具较为简单；紧凑拉伸试件则所需的专 门夹具，加工困难，且不同厚度的试件需要有不同的夹具相匹配， 但紧凑拉伸试件省料，对于中强度钢大试件，这点更为突出。 2 、压力容器中，最危险的常是在环向拉应力作用下，裂纹沿厚度 (径向)方向扩展，采用C形试件和拱形三点弯曲试件，不仅加工方便， 而且充分利用管壁全厚，使其易满足小范围屈服，得到有效的KIC 。
P a K IC f 12 BW W
5.2 表面裂纹断裂韧性KIE的测试
脆性断裂一般都是由不穿透板厚的表面裂纹扩展引起
的，表面裂纹 ( 如图所示 ) 基本上属于平面应变状态类型。 其测试原理和步骤与测试 KIC时的很类似，在此只说明测试 原理。 1．KIE的表达式 测 试 原 理
KIC C πa f
K IC
P a f 12 BW W
2 a a πa πa f 7.51 3.00 0.50 sec tg W 2 W 2 W W
2．疲劳预制裂纹
为了模拟实际构件中存在的尖锐裂纹，使所得的 KIC数据可以对比和实际应用，试件必须用疲劳载荷预 制裂纹。 (1)裂纹要平直和足够的尖锐。 要 求 (2) 疲劳裂纹长度不少于 2.5% W，且不 小于1.5mm。 (3) 裂纹总长度 ( 预制切口加疲劳裂纹 ) 应控制在(0.45~0.55)W范围内。
对穿透裂纹试件，位于表面层裂纹尖端处的塑性区总是处于平面 应力状态。平面应力层的厚度对于同一种材料来说基本是不变的。试件
厚度增加时，平面应力层的厚度很少变化。所以当试件的厚度足够时，
在厚度方向上的平面应力层所占的比重很小，裂纹尖端的广大区域处于 平面应变状态，整个试件近似地处在平面应变条件下。
根据若干试验结果，推荐试件的厚度应满足：
K IC：断裂韧性 Y ：与裂纹形状、试样类型和加载方式等有关的量 对于无限大宽板中心贯穿裂纹，Y π
C ：临界应力
a ：裂纹长度
KIC是材料本身固有的性能，不依赖裂纹形状及大小,在一定条件下，它 和加载方式、试样类型无关，故从原则上说，用不同类型的试样获得的KIC 应当是一致的。
5.1.1 KIC的表达式
其他两类曲线用同样的作图法也可得到 当用厚度稍小的试件，可得到 II 类 P5，但在P5之前已经有一个大于P5的载荷， 曲线。曲线中有一个明显的“迸发”平 此时就要以该载荷作为PQ
台，这是因中心层处于平面应变状态先 行扩展，而表层处于平面应力状态尚不 能扩展，中心层的裂纹扩展很快被表面 层拖住。这时，“迸发”载荷就可作为 PQ 。
c2 a2 π 2 2 Φ 0 1 sin 2 d c
12
KI

ห้องสมุดไป่ตู้
Φ为第二类完全椭圆积分
Q为裂纹形状因子
或
KI M e M p
3、拉杆一类的构件，则宜于采用圆形紧凑拉伸试件和切口圆棒拉伸 试件，来测定其KIC值。
5.1.2 试件的尺寸要求
试件厚度B KIC
试件本身
裂纹长度a
平面应变 + 小范围屈服
韧带宽度(W-a) 稳定的 才是材料的固有特性，与试件尺寸无关
5.1.2 试件的尺寸要求
(1) 平面应变条件对厚度的要求 只有足够厚的试件才能在z方向产生足够大的约束，从 而使z方向上的应变分量ez等于零，而得到平面应变状态。
5.1.4 测试步骤
1、试件制备： (1)取样方向
因材料的各向异性，断裂韧性和试件取 向有关。
图中，L为纵向，T为横向，S为板厚方向。
研究表明： L-S 取向的 KIC 值最高，而 S-L 取向的KIC值最低 。
试件的裂纹取向应与构件中最危险的裂
纹方向一致。
1．试件制备
(2) 试件尺寸：
B 2.5 KIc s , a W a B
C ，就可确定K
IC
。
在通常进行的KIC 的测试中，所得到的载荷P对切口张开位移V的记录 曲线大致可分为三类。临界载荷要根据不同类型的曲线按一定的条件来
确定，这样所确定的叫做临界载荷条件值PQ。
三类P－V曲线
用厚度够大的试件测到的往往是III 类曲线。加载过程中，裂纹前缘无扩展， 载荷达到最大值时，试件发生骤然的脆 性断裂，断口绝大部分是平断口，这时 的最大载荷可作为PQ 。
第五章 材料断裂韧性的测试
5.0 断裂类型与断裂韧性 5.1 平面应变断裂韧性KIC的测试 5.2 表面裂纹断裂韧性KIE的测试 5.3 平面应力断裂韧性KC的测试 5.4 J积分临界值JIC的测试 5.5 裂纹张开位移COD临界值dC的测试
断裂类型
断裂形式复杂多样： 受力环境 疲劳断裂 、蠕变断裂
不同试件及其KIC的表达式
4、拱形三点弯曲试件
K IC
PS a f 32 4BW W
不同试件及其KIC的表达式
5.圆形紧凑拉伸试件
K IC
P BW 1 2
a f W
a f W
a 29.6 W
12
a 162 W
行定量计算，对构件的强度设计具有十分重要的意义。
5.1 平面应变断裂韧性KIC的测试
5.1.1 KIC的表达式 5.1.2 试件的尺寸要求 5.1.3 临界载荷的确定
5.1.4 测试步骤
5.1.1 KIC的表达式 第二章：对于平面应变状态
KI Y a
当＝ C时 KIC Y C a
3．测量试件尺寸
(1)试件厚度应在疲劳裂纹前缘韧带部分测量三 次，取其平均值作为 B，测量精度要求 0.02mm 或0.1%B以内。 (2) 试件高度应在切口附近测量三次，取其平均 值作为 W，测量精度要求 0.02mm 或 0.1% W 以内。
4．试验程序
略
5．KQ的计算
(1)从记录的P-V曲线上确定PQ。 (2)裂纹长度用读数显微镜测出五个a1, a2, a3, a4, a5，如图 所示。取中间三个读数的平均值作为有效裂纹长度，要准 确到误差不超过0.5%。 (3)根据测得的a和W，计算a/W的值， 查出f(a/W)数值。 (4) 将 PQ，B，W， f(a/W) 代 入下式算出KQ。
2
且 B:S:W＝1:2:8
(3) 取同炉批料加工2-3件常规拉伸试件，供测常规机械性能，且必须和 测KIC试件同炉热处理。 (4) 试件粗加工和热处理后，再进行精加工，最后尺寸和表面光洁度要 求。各A面间需要互相垂直或平行，总长偏差应小于0.001W。
(5)小试件可用电火花线切割机制出切口，切口根部圆弧半径应小于0.08 毫米。大试件采用山形切口，切口根部半径应等于或小于0.25毫米。
KIC Y C a
不同类型试件，按照线弹性力学方法可以求得
KIC C πa f
式中的修正系数 f 是一个与试件尺寸有关的函数值
试件尺寸 确定 临界载荷 KIC
不同试件及其KIC的表达式
1、三点弯曲试件(S:W=4:1 )
P : 载荷 S : 跨度 B : 试件厚度 W : 试件高度 a : 裂纹长度
B 2.5 KIC s
2
(2)小范围屈服条件对裂纹长度的要求
即使对于理想线弹性体(不存在小范围屈服)用裂纹尖端内 应力场的主项表达式近似代替精确解时，也存在误差。 对常用的三点弯曲和紧凑拉伸试件，ry /a=0.02时，由 单参量KI给出的应力场与精确值间的偏差约为6~7%。 平面应变塑性区半径为
0.45
a 0.55 W
x 0 0.5 W r 0 1 1.0 r2
a a f W W
12 2 3 4 a a a a 18.23 106.2 379.7 582.0 369.1 W W W W
腐蚀环境
腐蚀疲劳断裂
断裂应变
韧性断裂、脆性断裂
研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全
断裂类型
疲劳断裂
蠕变断裂
断裂类型
应力腐蚀断裂
脆性断裂
韧性断裂
断裂韧性
扩 展 【 G (动力) R(阻力) 】 裂纹
停止扩展 【 G (动力) R(阻力) 】
GΙC (临界动力) RC (临界阻力) 2 PC
0.25
a 0.75 W
不同试件及其KIC的表达式
2、紧凑拉伸试件
KIC C πa f
K IC P 12 BW a f W
K IC
P BW 1 2
a f W
0.30
a 0.70 W
72
a f W
a 29.6 W
图5.11 厚度为B且有表面裂纹的平板
2．试件的尺寸要求
3．临界载荷的确定
1—后表面，2—前表面
1. KIE的表达式
半椭圆裂纹周边的应力分布是一个三维弹性力学问 题，目前还没有精确的分析解，采用的都是一些近似的 方法。 (1)欧文近似解
1.1 πa 2 2 0.212 2 s 1.1 πa Q
1 K IC ry 4 2π s
2
为使KI近似的偏差≤10%，要求ry /a ≤0.02,故
K IC a 50ry 2.5 s
2
(3) 韧带尺寸要求