金属材料平面应变断裂韧性标准试验方法

王巍,李玲,张天文

摘要：为探讨金属材料平面断裂韧性随样品厚度变化的规律，针对金属材料在不同薄厚试品上开展了一系列断裂韧性试验，给出了金属材料平面应变断裂韧性与临界值厚度之间关系积累的经验可能实体模型。依据测试效果及三维断裂力学理论与评判标准验证了修建经验模型。研究发现：对金属材料平面来讲，其平面应变临界值厚度大约为50mm，这和厚壁管弯头工程爆破试验结论符合不错，工作经验估计实体模型数值精密度比较高，能够满足工程项目应用需求。

关键词：金属材料；断裂韧性；平面应变；厚度效用

对受荷载的裂痕体来讲，应力强度因子（KI）是表现裂痕顶尖地应力强度的结构力学参数。预制构件受到荷载提升，KI随着提升，且KI提升至一临界点后，含裂痕预制构件发生开裂情况。这一临界点称为断裂韧性KIC，它表明原材料对裂痕失衡拓展的抵抗性。断裂韧性则属于原材料本身固有属性，二者的区别就是：KC为平面应力状态，KC遭受试件薄厚影响较大，薄厚超出某一界值时，裂痕顶尖处在平面应变状态中，这时候断裂韧性大部分不会再伴随着薄厚扩大而改变，这时即是平面应变情况断裂韧性标值，此标值称之为KIC值，也可称为平面应变断裂韧性（KIC），这时此参数为真正原材料常量，它体现出材料对裂纹扩展具有阻碍作用。

1金属材料平面应变断裂韧性

工程设计时采用屈服强度Rp0.2来决定构件的许用应力，低于许用应力时，预制构件将不产生塑性变形根本不可能裂开。但其实不然，高强度材料预制构件在应力远小于抗拉强度时有时发生脆性断裂，中低抗压强度原材料超重型预制构件和大型零部件亦存有类似断裂状况。抗拉强度高能够确保预制构件不会造成塑性形变和后续韧性断裂，但无法阻止脆性的形成，拉伸强度，断面收缩率，冲击韧性和缺口敏感性也都是根据无裂纹的理想样品测量得到，再加上特定工况下的差异，这些性能指标同样难以确定。

1.1 断裂韧性的涵义

不管是韧性断裂或脆性断裂其的破裂过程都包含了裂纹产生与扩展两阶段，利用很多案例及试验分析表明：低应力脆断自始至终主要是因为宏观裂痕在原材料内部结构扩展而致，断裂力学是将构件内部宏观缺陷作为探讨问题的切入点，应用连续介质力学弹性理论并考虑不连续型因素，对裂纹在材料内部的扩展规律进行研究，建立能够反映裂纹抗裂能力的指标及试验方法，从而达到控制与防止裂纹在构件内部扩展。断裂韧性是断裂力学中用于表征体现原材料抗裂痕失衡扩展性能的一个性能参数。

1.2 KIC的含义

本文从缺口效用考虑，运用弹性力学基础理论对含裂纹原材料应力应变情况及裂纹扩展规律性完成了线弹性断裂力学探究，并在给定的条件下用计算的方法界定出代表裂纹前端应力场强度的系数，即应力场强度系数KI, KI为能量指标。裂纹扩展存在3种形态，张开性，滑开型及撕开型裂纹，它们所对应的应力场强度因子各不相同，分别用KI, KII, KⅢ来表示， KI为正应力条件下裂纹伸开性拓展环节中地应力抗压强度因素。伸开性拓展风险性较大，易造成低应力脆性断裂状况，且原材料在该裂纹扩展环节中抵抗力最少。所以即使在其他裂纹扩展方式下往往也依照Ⅰ型来对待。研究和测算结果显示：当原材料处在平面应变状态时，其裂痕前面为三向拉应力，这时原材料塑性形变难度较大，裂痕易扩大且显得尤为老化，为风险应力状态。若裂痕顶尖为表面应变时，冲击韧性值最少，称金属材料为表面应变冲击韧性（KIC）。反映材料抗裂痕失衡拓展（即抗脆断）性能，都是评价其韧性好坏的机械性能指标。

2金属材料平面应变断裂韧度的应用与脆性断裂准则

某含裂痕预制构件上拉应力逐步增加，或裂痕逐渐拓展，其裂痕顶尖地应力抗压强度因素KI亦逐步增加，KI做到临界点后预制构件裂痕会发生忽然失衡拓展状况。该地应力抗压强度因素KI称之为临界应力场抗压强度因素（KIC），是原材料冲击韧性。冲击韧性KIC为地应力抗压强度因素KI的临界点，其物理意义全然不同，KI作为表现裂痕前面地应力强度的结构力学参数与裂痕和物件规格，样子极其另加地应力有关。且原材料本身KIC不会因地应力尺寸而改变，仅与原料构成，热处理工艺与制作工艺等多种因素有关。因此KIC作为点评物理性能好坏的一个指标值。对含裂痕预制构件来讲，可以通过KI定量分析表现裂痕前面地应力的高低，并比较他们和KIC间的相对性规格，因此判定该预制构件失衡和脆断的概率。

断裂韧性试验是通过设置一定条件来确定裂纹前一段应力场强度并将之与所给断裂韧性值大小进行对比来判断材料断裂韧性合格与否。

2金属材料的平面应变断裂韧性测试

2.1试验原理

该方法采用预制疲劳裂纹样品，以缓慢增大裂纹位移力的方式，测量金属材料平面应变断裂韧性KIC。

2.2试验机和力值测量

疲劳试验机软件内置了力和空缺伸开偏移的自动记录机器设备和程序，可把这些机器设备和程序保存下来，根据线形一部分特定在测试记录里的误差，明确较大表面裂纹扩展量相对应的承受力状况。若觉得检测确实可靠，KIC值可按照此力计算。

2.3试验流程。

试验中，将含预制构件疲劳裂纹试样，选用特制的V形勾出，在试验仪上放轴销夹持装置做断裂试验。感应器、拉伸试验机记录所增加的荷载及裂痕张嘴偏移并且经过放大仪接X-Y录像仪对荷载及偏移开展持续记录并形成载荷P与偏移V的曲线图。

2.4对测试结论作出了计算和表明。

在试验记录中，用起点制作出直线斜率为（P-V）5=0.95的割线OP5（P-V-0），在其中，（P-V+0）便是记录线形一部分断线OA，再根据下列方式测量PQ，若P5前纪录曲线图各点受到相互作用力低于P5（I型），取该值PQ=P5；但若F5前依然存在超过P5（Ⅱ型或是Ⅲ型）的最大相互作用力，PQ取该值。

若使用计算机数据管理系统则认同的相互作用力（PQ、Pmax）可以由数据信息减缩程序流程确定。

测算比Pmax/PQ中Pmax是最大的力。如此比不得超过1.10时，KQ也可以根据计算公式算，如此比高过1.10时，本试验为非有效的KIC试验。如果该标值小于试件薄厚，裂痕长度及韧带规格时， KQ与KIC相等，否则，不属于有效的KIC测试。

3讨论解析

首先，若试件不符合上述3个条件则我们的试验就会判为失败，其意义在于：KIC对塑性变形有严重限制来提高裂纹位移力时裂纹扩展有， KI 临界值我们称为金属材料平面应变断裂韧度。利用KIC的先决条件，首先要关注被的问题是其否符合线弹性状态的先决条件。

其次，我们做断裂试验是为了在裂纹失稳扩展之前求出最大力，再将此力代入公式算出材料真实K，并和材料自身固有KIC对比来判断其韧性合格与否。

在断裂试验时，如何裁剪计算断裂韧性的力值呢，我们结合静力学拉伸试验低塑性材料应力应变拉伸图理解，其中切线OA的斜率（P/V）0是比例极限，近似的线弹性阶段，裂纹均匀缓慢扩展，割线OP5的斜率 0.95（P/V）0，裂纹刚刚开始接近失稳扩展，我们试验中的断裂韧性力值就是人为的取这个临界点的力值P5，然后代入公式计算韧度；本试验中，在P5之前，记录曲线上每个点的力均低于P5（Ⅰ型），则取PQ=P5，这种类型相当于静力学的屈服之前的弹性阶段；如果在F5之前还有一个最大力超过P5（Ⅱ型或Ⅲ型），则取这个最大值为PQ，这两种类型对应着静力学拉伸出现屈服阶段。屈服刚刚开始，应力不增加，应变也在增加，应力缓慢增加，也会出现应变增加很大的现象，这就对应到本试验中结果计算和解释中的另一个限定试验无效的条件——Pmax/PQ比值，如果这比值大于1.10，也说明了我们取到的PQ时，材料裂纹的扩展已经是失稳扩展了，这个时候已经出现塑性变形了，不满足裂纹前段是受约束的平面应变状态。

结语

金属材料断裂韧性测试是建立在材料裂纹正面为平面应变状态下的测试，所以在用测试方法上的准则认定测试效果不佳时，一般采用加厚试样的办法，目的还在于确保裂纹扩展在平面应变状态下。

参考文献

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