斷裂韌性試驗 - 線上彈性斷裂力學及彈塑性斷裂力學基礎上發展起來的一種評定材料韌性的力學試驗方法。
基本介紹
- 中文名：斷裂韌性試驗
- 試驗方法：力學基礎上
- 時間：20世紀以來
- 目的：建立有關測定材料斷裂特性方法
基本信息,取樣原則,試驗選擇,參考書目,
基本信息
線上彈性斷裂力學及彈塑性斷裂力學基礎上發展起來的一種評定材料韌性的力學試驗方法。
20世紀以來，曾發生過多起容器、橋樑、艦船、飛機等脆斷事故；事故分析查明，斷裂大多起源於小裂紋。為解決金屬脆斷問題，美國在1958年組成ASTM斷裂試驗專門委員會，目的是建立有關測定材料斷裂特性的試驗方法。於1967年首次制定了用帶疲勞裂紋的三點彎曲試樣（圖1）測定高強度金屬材料平面應變斷裂韌性操作規程草案，並於1970年頒發了世界第一個斷裂韌性試驗標準ASTME399-70T。此後，斷裂韌性試驗受到世界各國的普遍重視並蓬勃發展。中國於1968年前後開始這方面的試驗研究。
取樣原則
由於裂紋或類裂紋缺陷是導致工程結構斷裂的主要原因，所以斷裂韌性試驗採用帶尖銳裂紋的試樣(圖1),用直接觀察或間接測量法連續監測裂紋的行為；如用夾式引伸計連續測量裂紋嘴張開位移V隨載荷P的變化(圖2),以測定材料抗裂紋擴展的能力及裂紋在疲勞載荷或應力腐蝕下的擴展速率;求得平面應變斷裂韌度KIc、動態斷裂韌度KIc、裂紋臨界張開位移δc，應力腐蝕臨界強度因子KISCC,疲勞裂紋擴展速率da/dN（毫米/周）等斷裂韌性參數。其中，角標Ⅰ代表張開型裂紋，或稱Ⅰ型裂紋,角標c代表臨界值。此外，尚有滑開型（Ⅱ型）裂紋，撕開型（Ⅲ型）裂紋（圖3）。Ⅰ型裂紋最易引起脆斷，所以目前斷裂韌性試驗多限於Ⅰ型載入。
斷裂韌性對取向敏感。通常以兩個字母表示試樣取向，如TL，CL試樣，第一個字母代表裂紋面的法線方向，第二個字母表示預期的裂紋擴展方向。L 表示坯料的長度或主變形方向，T和S分別表示矩形斷面板材的寬度方向和第三正交方向。R和C則分別表示棒材或餅材的徑向和切向。當從實物上取樣時，應首先對構件進行應力分析，然後在最危險的裂紋位置和取向上取樣。
試驗選擇
除材料本身和試樣取向外，試樣尺寸、應力狀態、載入方式、載入速率、試驗溫度和試驗環境等外界因素均會影響材料的斷裂韌性。通常，平面應變狀態、快速載入、低溫會降低材料斷裂韌性，增加脆斷傾向。同時,在一次載入下不擴展的裂紋a，在疲勞載荷及應力腐蝕作用下會產生緩慢的亞臨界擴展，當達到臨界尺寸ac後，試件斷裂。在選擇斷裂韌性試驗條件，或選用斷裂韌性數據時，必須儘可能接近實際工作條件和環境。
斷裂韌性參數的最大特點是，這些表征材料韌性高低的參數與外載入荷、試樣尺寸及缺陷尺寸間有定量關係。知道任何兩個參數，即能預計第三者。從而可對安全分析、事故分析、壽命估算、缺陷評定標準等進行定量計算，並可用於安全設計、材料選擇、材料和工藝研究等各方面。幾種常用的斷裂韌性試驗如下：
① 平面應變斷裂韌度KIc試驗KIc是材料常數,單位為kgf/mm幫(或MN/m幫)。KIc越高，材料的韌性越好。KIc試驗適用於高強度脆性材料。
② 應力腐蝕臨界強度因子KISCC試驗 在腐蝕介質中,如裂紋頂端的應力強度因子KISC<KISCC,裂紋不擴展。單位同KIc。1975年美國海軍研究試驗室制定了“金屬材料平面應力腐蝕開裂抗力標準試驗法”AD-A008，119。
③ 裂紋頂端臨界張開位移δc試驗 裂紋頂端張開位移（圖4）是裂紋頂端塑性應變程度的度量，當達臨界值時，裂紋擴展而導致試樣斷裂。δc越高，材料的斷裂韌性越好，單位為mm。此方法適用於中強度高韌性材料。
參考書目
1980 Annual book ofASTMStandards, part 10.ASTM STP. 410, 463, 527, 632.
