断裂韧度现行国标中有关KIC有效性判据的探讨.pdfVIP

断裂韧度现行国标中有关K 有效性判据的探讨 IC 高怡斐1 （北京钢铁研究总院分析测试研究所，北京，100081） 摘要：现行有效的国家标准GB/T 4161-2007 和GB/T 21143-2007 中有关KIC 试验结果的有效性判据已沿袭多年。随着高速 铁路和大飞机的迅猛发展，高速铁路用车轮钢、轨钢和大飞机用高强铝合金在按照国标进行KIC 试验时，经常会遇到不满 足有效性判据的情况。笔者针对近几年欧美有关断裂力学试验方法的必威体育精装版研究和切身体会，试样的断裂韧度不是受试样厚 度 （W ）控制的，而是受试样的韧带尺寸 （W-a ）控制的；基于韧带控制理论，建议将尺寸要求放松到 W a 1.1(K / )2 ，同时取消F / F 1.1的要求，FQ 对应的载荷与对应试样韧带的扩展量相关，而不是原 IC Y max Q 始载荷-位移曲线斜率下降5%割线与F-V 曲线交点对应的载荷。 关键词：厚度；韧带；有效性；F 割线Q 引 言 包含面缺陷的结构完整性评估大大推动了断裂力学的发展和应用。断裂力学有两个重要参数：裂纹 扩展驱动力和阻止裂纹扩展的材料阻力。裂纹扩展驱动力是缺陷几何尺寸和加载条件的函数，而材料阻 力描述的是材料阻止裂纹扩展的能力。到目前为止，国内外有几种试验方法标准（例如ASTM E399, ASTM E1820, BS7448, ESIS P2 和GB/T 4161,GB/T 21143 ）使测定材料阻力裂纹扩展能力的试验参数成为可能。 追溯历史，断裂力学是从连续介质力学的角度来理解断裂问题。这一理论假定，存在着一个单一的 断裂韧度值来控制材料的断裂。如果裂纹扩展的驱动力没有超过了这一数值，裂纹就不会扩展，相反， 如果裂纹扩展的驱动力超过了这一数值，裂纹就会扩展。因此，裂纹启裂和扩展被假定发生在一个恒定 的驱动力下。而且认为影响这个临界值的只有试样 （或结构）的约束。从那时候，就没有量化地去评估 断裂韧度的约束效应，断裂韧度不得不在尽可能高的约束条件下来测定。 在ASTM E399 中把平面应变断裂韧度KIC 定义为与平面应变的应力状态相对应的断裂韧度的下界 限，是一个尺寸非敏感参数。这一解释是基于George Irwin[1] 的最初工作，他假定了断裂韧度试样的厚 度效应。下面将针对George Irwin 的最初工作做进一步的分析和探讨。 1 George Irwin 试验结果分析 图1 为Irwin 的最初试验数据，事实上，图中显示了具有纤长韧带的低约束CCT 试样和短而接近方 形的高约束 SE(B)试样在最大载荷下韧性的不同。现在，普遍认为韧性断裂的过程与上升的撕裂阻力曲 线直接相关。撕裂曲线的陡峭程度不仅与材料有关还与加载试样的几何和韧带尺寸相关，见图 2 。具有 纤长韧带，或者相对于厚度B 大的(W-a)的CCT 试样展示出了较 SE(B)试样陡峭的撕裂阻力曲线。这一 1基金资助：国家自然科学资金资 作者简介：高怡斐 （1972- ），女，教授，北京钢铁研究总院(Gaoyifei@2911.net) 1 解释与 Irwin[2]观察的不同。另外，韧性裂纹的扩展量与最大载荷相关，并且大体上与原始韧带尺寸成 比例。Irwin 试验中的CCT 试样的韧带长200mm，而SE(B)试样的韧带仅25mm 。这意味着CCT 试样的 裂纹扩展量是弯曲试样的将近 10 倍。这是观察到的断裂韧度差异的主要原因。事实上在最初的试验报告 中[1]已经提及CCT 试样在最大载荷之前经历了很长的裂纹扩展，但是却忽视了试验的载荷上升现象。 错误的解释主要是没有承认撕裂阻力曲线的上升。即使试验并没有反应试样的厚度，厚度效应还依旧被 假定存在。然而从数据中并不能得出断裂韧度试样的厚度效应。 图1 用于推论经典厚度效应的原始Irwin 数据 图2 撕裂阻力曲线的几何效应 ASTM E399 研究用的材料主要是铝合金、钛合金和超高强度马氏体时效钢。材料的一个共同特征是 其断裂微观机制是韧性断裂，均展现出了上升的撕裂阻力曲线。不幸的是当时