回到基础-断裂韧性测试

理解断裂韧性测试背后的基本理论,以及测试是如何进行的。

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n先前的文章,我们讨论了许多不同类型的机械测试方法和要求。虽然一些测试方法具有设计过程(拉伸测试),但许多方法与部件的设计无关。在本文中,我们将讨论骨折力学和断裂韧性试验。这些方法可直接适用于设计,也可以建立用于内使用部件的非破坏性测试(NDT)标准。这种方法是强大的,主要用于航空航天,但在汽车和其他领域找到更多应用。

断裂力学

1920年,Griffith[1]提出了所有材料都含有缺陷的概念。正是这些缺陷导致材料的强度大大低于其理论最大值。材料中的这些小缺陷通过应力集中[2]降低了材料的断裂强度。这些应力集中导致局部区域内达到理论内聚强度。Griffith提出的准则是:“当应变能的降低至少等于产生新裂纹表面[3]所需的能量时,裂纹将继续扩展。”这个标准用于确定某一特定尺寸的缺陷何时开始开裂并以脆性方式扩展。

脆性失效的金属在失效前将经历塑性变形[4][5]。由于脆性断裂之前的塑性变形,格里菲斯微裂纹理论不适用于金属。Irwin[6]提出裂纹尖端的应力是外加应力和裂纹尺寸的函数:

在哪里K压力强度因子和c是缺陷的半身。K完全由裂纹几何形状、外加应力和试件几何形状定义。发生不稳定裂纹扩展时的应力强度因子为临界应力强度因子,K集成电路(对于I型-在拉力作用下的开裂开口),式中K集成电路是一种物质财产。虽然上述用于椭圆缺陷,但也已经计算了其他缺陷形状[7] [8]。这假设已经实现了平面应变条件。如果存在平面应力条件,则应在裂纹尖端的增加的塑料区放松应力。此外,压力状态不再是三轴并且减少。

韧性是抵抗材料中骨折所需的能量的量度。通常,这种属性比实际的拉伸性能更重要,特别是如果该部件用于动态环境中。期限冲击力量用来表示材料的韧性。这个术语用词不当;应该是这样的影响能源.然而,建立了改变它的影响力量很少有意义。韧性强烈依赖于负载,温度和应力浓度存在的速度。自行动二世二世二战以测量脆性骨折的抗性以来,已经开发了几种标准化测试,特别是前一篇文章中讨论的夏比V-Notch测试[9]。这些测试是试图量化材料中材料的行为。

断裂韧性试验

如前所述,断裂力学的使用对于确定材料在灾难性破坏之前所能承受的最大缺陷尺寸非常重要。如前所述,厚板上的裂缝比薄板上的更严重。这是因为平面应变条件。在裂纹尖端,塑性区较小,高应力梯度跨越塑性区(图1)。在裂纹尖端存在高三轴应力。由于三轴应力的大小,试样的断口形貌随试样厚度的变化而变化。(图2)。

图1:裂纹尖端塑料区[10]。
图2:样品厚度和裂缝表面[10]。

在薄板中,断裂的特征是韧性和脆性的混合模式断裂,存在剪切唇。在平面应变条件下,当板厚足够时,断裂是平的,并且断裂应力随板厚的增加而增大。发生平面应变条件的最小厚度为:

使用不同的试样配置来确定平面应变骨折韧性,K集成电路[11]。典型的标本如图3所示。对于大多数应用,使用紧凑的样品,因为使用了更少的材料。

图3:用于断裂韧性测试的试样。尺寸取决于要测试的材料。

在试样上加工缺口,并在低周、高应变下疲劳使其更锋利,直到裂纹约为试样的宽度。通过计算疲劳裂纹长度和缺口长度,测量了初始裂纹长度。试件的测试是在拉伸状态下加载试件,连续记录荷载和裂纹张开位移,直至试件破坏。断裂韧性的条件值,K计算。计算方法K取决于所用的样本类型。有关详细信息,请参阅ASTM E399。

为了确定断裂韧性,K集成电路,测量裂缝长度a,计算裂缝长度B:

如果两个B一个小于宽度吗b试样,然后KK集成电路.如果没有,那就需要一个更厚的标本K用于确定新厚度。典型的K集成电路钢的数值如表1所示。

表1:选用[10]钢的典型断裂韧性、KIc。

结论

在这篇简短的文章中,我们已经描述了骨折韧性试验背后的潜在理论,以及如何进行测试。在下一组文章中,我们将描述疲劳以及裂缝韧性测试如何用于计算疲劳寿命。

如对本文有任何疑问,或对以后的文章有任何建议,请与编辑或我本人联系。

参考文献

  1. A. Griffith,“固体的破裂和流动现象”,Phil。反式。皇家Soc。伦敦,第221卷,163-198页,1921年。
  2. E. Orowan,“裂缝能量标准”,焊接J.,Vol。34,p。157,1955。
  3. G. E. Dieter,机械冶金,纽约,NY:McGraw-Hill,1976年。
  4. e . Klier反式。《中国科学院院刊》1951年第43卷第935页。
  5. A. N.TrOH,“一种繁殖裂缝的简单模型”,固体机械和物理学杂志杂志,Vol。8,不。2,pp。119-122,1960。
  6. G. R.欧文,《物理学百科全书》第六卷,海德堡,施普林格,1958,第561页。
  7. P. C. Paris和G. C. Sih,断裂韧性测试,J. E. Shawley和W. F. Brown, Eds。美国测试和材料学会,1965年。
  8. J. W. Faulpel和F. E. Fisher,工程设计,纽约:Wiley, 1981。
  9. ASTM国际,“金属材料缺口棒冲击试验的标准试验方法”,ASTM国际,Conshohocken, PA, 2018。
  10. D. S. Mackenzie,“机械性能检测方法”,钢热处理手册,2埃德,G.E.托特,Ed。,博卡拉顿,佛罗兰州,泰勒弗朗西斯集团,2006,PP。1247-1302。
  11. ASTM,金属材料线性弹性平面裂缝韧性KIC标准试验方法,Conshococken,PA:美国测试和材料学会,2012。