疲劳与断裂力学平面应变断裂韧性测试技术.ppt
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1、第七章 平面应变断裂韧度测试,金属材料的裂纹扩展抗力称为断裂韧度,线弹性断裂韧度表示为KIc,弹塑性断裂韧度有JIc和dIc。 常规强度设计条件: :安全系数。 断裂力学设计条件:,:安全系数。,只要满足小范围屈服和平面应变条件,断裂韧度就不再与试样或结构的几何形状有关,而仅为材料的常数。它表征材料所固有的平面应变裂纹扩展抗力。由于它代表了实际结构中最常见和最危险的裂纹顶端约束情况,所以平面应变断裂韧度(Plane Strain Fracture Toughness)在安全设计中有重要地位。,试样的平面应力和平面应变状态是对裂尖附近区域而言的。 裂尖的K主导区是一个高应力区,其周围是广大的低应
2、力区。在K主导区内均为拉应力。,第一节 KIc的测试方法,K 主导区受 x、y 二方向拉应力作用将发生很大的z向收缩,但低应力区z向收缩很少,所以裂尖附近高应力区内沿 z向(板厚)的收缩将受到其周围广大低应力区的制约,处于平面应变状态。故裂尖附近的材料处于三向拉伸应力状态下。,但是在试样表面处,因为 ,这儿的 K 主导区处于平面应力状态。,如果试样很薄,表面的平面应力层占了主导地位,试样就处于平面应力条件下了。这时测不出稳定 正确的KIc值。,如果试样足够厚(厚度 B 相对于K主导区很大),在厚度方向上平力区所占比例很小,裂纹前缘较大地区处于平面应变状态,这时可近似认为试样处在平面应变条件下,
3、才可能测出稳定的KIc值。,测试的一般过程为:在试验机上得到裂纹开始失稳扩展的临界荷载值Pq,代入相应的 K 因子关系式,例如,就求得条件断裂韧度Kq,再检验Kq的有效性得KIc。,1、试样的 K 因子表达式,取决于进行断裂韧度测试的试样形状。,要把平板试样拉断,要求试验机吨位很大,所以现在已经不再用平板试样,而用三点弯曲、紧凑拉伸、圆片紧凑拉伸、C 形紧凑拉伸(对管材,中国是拱形三点弯)等试样。 这些试样的特点是: (1)韧带(裂纹延长线上裂纹尖端到试样背表面的区域, 是主承载区)处于弯曲状态,故都是弯曲型试样。 (2)它们都是比例试样,长宽高具有规定的比例。比例试 样的厚度加大时,所有尺寸
4、都成比例增大。,根据“GB4161-84金属材料平面应变断裂韧度试验方法”的规定,标准三点弯曲试样的Kq表达式为:,Pq临界荷载,B试样厚度,S跨距,W试样宽度,a裂纹长度。,标准紧凑拉伸试样的表达式为:,Pq临界荷载,B试样厚度,W试样宽度,a 裂纹长度。,这两种试样的Kq值,都是用边界配位方法计算得到的。 GB416184中还给出了C形拉伸试样和圆形紧凑拉伸试样的表达式。,2、确定Pq和a,有了Kq表达式,只需测得试样在其裂纹发生失稳扩展时的临界状态荷载Pq和当时裂纹长度a,代入相应的K因子表达式,便可算得Kq。现在先确定Pq,这要分三种情况讨论。,对试样加载,记录加载过程的 P-V(外载
5、裂纹嘴张开位移)曲线,三种情况的 P-V 曲线如图。,GB4161-84中规定: 在 P-V 曲线中作一过原点的射线,使其斜率比PV曲线初始直线段的斜率 P/V 减小 5% ,此射线与 P-V 曲线将有一个交点。,(1) 如果在交点左边的 P-V 曲线上有极大点,则该点对应 的P 值就是Pq值。 (2) 除了情况(1)以外,交点对应的P值就是Pq值。,裂纹长度 a的测定必须在试样的断口上进行。,裂纹长度a的表达式为,国标对a1、a2、a3、a4、a5 的测量均匀度还有一些规定。,3、Kq的有效性检验,Pq称为条件临界荷载,因为这个值不一定有用,即它代入K因子表达式求出的Kq不一定是材料的有效值
6、。要使Kq 就是KIc,必须满足2个条件。 (1),这是为了保证线弹性条件和平面应变条件的措施之一,但 1.1 这个值是约定的。,实验发现,当 B 不足时Kq偏小而Kmax偏大,但KIc总在Kq和Kmax之间。因此,如规定Kmax/Kq(即Pmax/Pq)1.1使得二者相差不过10%,则测得的KIc的误差就不会超过10%。因此为保证KIc精度,要求1.1 。,(2) 尺寸要求: B , a ,(W-a), 裂纹长度要求: ,这是小范围屈服条件。, 韧带尺寸(W-a)要求:, 厚度要求:,和,这也是经验性的,基本点是厚度应比塑性区尺寸大一个数量级,才能保证裂尖前缘有90%处于平面应变状态。,由,
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