316L三點彎曲試樣動靜態斷裂韌性對比實驗研究

曲嘉，龐躍釗，孫曉慶

(哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

316L三點彎曲試樣動靜態斷裂韌性對比實驗研究

曲嘉，龐躍釗，孫曉慶

(哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

為研究316L型不銹鋼的動靜態斷裂韌性，該文使用Instron－4505萬能材料試驗機對含有預制裂紋的316L型不銹鋼試樣進行準靜態三點彎曲實驗，測得其準靜態斷裂韌性應力強度因子，同時基于霍普金森壓桿(SHPB)技術對該材料三點彎曲試樣進行動態斷裂韌性的實驗研究，測得其在3種不同加載率下的動態斷裂韌性應力強度因子。結果表明:316L型不銹鋼是率敏感材料，隨著加載率的增加，該材料的動態斷裂韌性呈下降趨勢，且其斷裂力學性能優良，可在工程實際中廣泛應用。

斷裂韌性;三點彎曲試樣;霍普金森壓桿;316L型不銹鋼

0 引言

斷裂力學作為研究有缺陷結構和材料力學行為的學科，可以分為靜態斷裂力學和動態斷裂力學［1］。金屬材料的三點彎曲試樣的斷裂韌性實驗研究屬于斷裂力學的重要研究范疇。對于靜態斷裂問題己有測試材料平面應變斷裂韌性KI的實驗標準，在準靜態斷裂實驗中不考慮慣性效應的影響，在萬能實驗機上即可完成。對材料動態斷裂韌性的研究方面，美國材料學會已將擺錘或落錘作用下三點彎曲試樣的試驗方法作為材料在沖擊載荷作用下動態起裂韌性的推薦標準測試方法［2］。在此推薦標準中，動態應力強度因子的確定是直接將動態載荷代入準靜態公式，這種方法雖然相對簡單，但沒有考慮慣性效應對于動態應力強度因子的影響。Kalthoff［3］曾利用焦散線法對于三點彎曲試樣進行過完全的動態測試，得出慣性效應是不能忽略的結論。研究者要考慮慣性效應的影響，就必須對試樣進行完全的動態分析。已有研究表明，利用霍普金森桿系統對裂紋試件進行沖擊加載不僅消除了加載過程中的振蕩現象，而且可以提高加載率。Costin等［4］率先提出在試件上預制裂紋的實驗方法，將霍普金森實驗技術拓展到了動態斷裂韌性的測試中。李玉龍等［5］在金屬三點彎曲試樣動態斷裂韌性方面提出了用彈簧－質量模型計算動態應力強度因子的近似公式。劉瑞堂等［6］在1999年采用分離式霍普金森壓桿設備，進行了三點彎曲試樣的試驗研究，通過對實驗結果分析，得到沖擊速度對三點彎曲試樣應力強度因子有明顯影響的結論。

本文運用Instron－4505萬能材料試驗機和分離式霍普金森壓桿(SHPB)分別對同種316L型不銹鋼材料三點彎曲試樣進行準靜態和動態斷裂韌性的實驗研究，得出該材料試樣的準靜態斷裂韌性值和不同加載率下的動態斷裂韌性值，研究加載率對該材料斷裂韌性的影響。

1 實驗材料及試樣

試驗用料為316L型奧氏體不銹鋼，其基本力學性能如表1所示。

表1 316L型奧氏體不銹鋼的力學性能

試樣為含有預制裂紋的三點彎曲試樣，試樣的尺寸為B∶W∶S=1∶2∶8，即厚度為10 mm，寬度為20 mm，跨距為80 mm，裂紋長度a為10 mm，試樣長度L為85 mm，在5 mm長的線切割裂紋的基礎上，在高頻疲勞試驗機上預制5 mm的疲勞裂紋，使得總裂紋長度a與試樣寬度W之比為0.5。符合國標GB 4161——1984《金屬材料平面應變斷裂韌性KIC標準試驗方法》中規定的尺寸要求。圖1所示為三點彎曲實驗試樣。

圖1 316L型不銹鋼三點彎曲實驗試樣

2 三點彎曲試樣的斷裂韌性實驗研究

2.1 準靜態斷裂韌性的實驗研究

使用Instron－4505萬能材料試驗機對5組含有預制裂紋的試樣進行了對照實驗，加載速率為。本文計算了試樣表面的應變場并分析了裂尖應變場的變化過程，并利用國標中推薦的斷裂韌性計算公式得出316L型金屬的準靜態斷裂韌性［7］。如圖2所示為準靜態三點彎曲試驗裝置。

國標中推薦的準靜態斷裂韌性應力強度因子的計算公式為

式中:PQ——臨界載荷;

B、W、a——試樣厚度、高度和初始裂紋尺寸，S=4W;

Δa——裂紋擴展量。

其中f( a/W)為

圖2 準靜態三點彎曲試驗裝置

分別對5組試樣所得實驗數據進行處理，通過對斷口進行電鏡掃描可精確獲得裂紋擴展位移(見圖3)，結合如圖4所示的應力應變曲線可計算出臨界載荷值，然后代入上述國標公式中，最終得到316 L型不銹鋼三點彎曲試樣準靜態斷裂韌性平均值。

圖3 準靜態實驗試樣斷口電鏡掃描圖

圖4 準靜態實驗的應力—應變曲線

2.2 動態斷裂韌性的實驗研究

2.2.1 實驗裝置及原理

本次實驗用Φ60 mm～Φ80 mm分離式霍普金森壓桿裝置在加載速率下對含有預制裂紋的三點彎曲試樣進行動態斷裂韌性的沖擊實驗，得出了加載點位移與載荷曲線，結合裂尖場粘貼的應變片測試的起裂時間，采用近似公式法計算了316L型金屬在高應力強度因子率下的動態斷裂韌性。從而得出三點彎曲試樣的動態斷裂特征。圖5為三點彎曲試樣的安裝方式。

圖5 三點彎曲試件安裝方式

2.2.2 起裂時間的確定

目前，起裂時間的方法有很多種，如電磁法、電位法、斷裂絲柵法、動態焦散線法及電阻應變片法等。本文采用電阻應變片法確定裂紋起裂時間。應變片粘貼位置處于裂紋尖端平行位置，動態加載下試樣起裂時產生的卸載波傳到應變片處，在應變片信號上會有一個明顯的下跳。應變信號向下跳的時刻減去卸載波從裂紋尖端傳播到應變片的時間即得到起裂時刻，如圖6所示。

圖6 應變片監測斷裂信號

2.2.3 載荷計算

通過粘貼在入射桿上的應變片分別測得入射桿上產生的應變εi和εr，然后根據一維應力波理論求得入射桿對三點彎曲試樣所產生的沖擊載荷P(t)及相應的加載點位移u(t):

其中，E、A分別為入射桿的彈性模量和橫截面積，C為彈性波在入射桿中的傳播速度，其大小等于。

圖7 入射波和反射波的原始波形

圖7為入射波和反射波的原始波形，由于反射波反映了加載點位移情況，結合圖6，可以看出試樣開裂前裂尖場發生塑性強化，加載點運動速度下降，開裂后試樣整體剛度下降加載點運動速度再次上升。

2.2.4 動態斷裂韌性計算

當前獲取試樣動態斷裂韌性應力強度因子的方法主要采取實驗測得和數值分析方法。動態強度因子的計算方法主要有位移法、應力法和近似公式等方法［8－9］。本文采用近似公式法對316L型不銹鋼的動態斷裂韌性進行計算。

近似法可以較精確地確定三點彎曲試樣的動態斷裂韌性，但求解過程相對繁瑣。到目前為止還沒有計算動態斷裂韌性的統一標準計算公式，因此，許多人致力于研究其近似公式。李玉龍等［10－12］曾在Williams彈簧質量模型的基礎上，提出了一種修正公式，其表達式為

式中:KIS——對應于載荷P(t)的準靜態斷裂韌性;

ω1——含預制裂紋試樣的一階振動頻率。

當載荷歷史確定時，對上式進行積分或采用數值積分法就可確定任意時刻的斷裂韌性。

2.2.5 動態斷裂韌性計算結果

本文在沖擊載荷作用下，對5組相同的三點彎曲試樣在3種不同的加載率下進行了實驗。按式(4)對入射桿上的應變信號進行分析，可以得到施加在三點彎曲試樣上的沖擊載荷曲線。通過近似公式法可求得該材料不同加載率下的斷裂韌性平均值，結果如表2所示。

表2 316L型不銹鋼的動態斷裂參數

3 結束語

本文通過Instron－4505萬能材料試驗機和分離式霍普金森壓桿技術，測得了316L型不銹鋼三點彎曲試樣準靜態斷裂韌性和3種不同加載率下的試樣動態斷裂韌性。對比316L型不銹鋼的準靜態斷裂韌性和動態斷裂韌性實驗結果值可知:在高加載率下，該材料的斷裂韌性較準靜態斷裂韌性有所下降，同時通過比較3種不同加載率下的動態斷裂韌性參數，可知該材料的動態斷裂韌性隨加載率的增加呈下降趨勢。本研究為工程實際中316L型不銹鋼的應用起到一定指導作用。

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(編輯:李妮)

Experimental study of 316L stainless steel three－point bend specimen fracture toughness under different strain rates

QU Jia，PANG Yuezhao，SUN Xiaoqing
(College of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

In order to investigate the fracture toughness of 316L stainless steel，quasi－static three－point bending tests were conducted by the Instron－4505 universal testing machine using 316L stainless steel samples which contain pre－existing cracks.From the tests，its quasi－static fracture property parameters can be obtained :.Meanwhile，the tests were conducted to study this material’s dynamic fracture toughness bassed on SHPB technology.Its dynamic fracture toughness parameters can be obtained from the tests at three different loading rates.The results shows that:With the increasing of load rate，the dynamic fracture toughness of the material is decreased.316L stainless steel is the rate－sensitive material，and the material has excellent fracture mechanical properties which can widely use in engineering practice.

fracture toughness;three－point bending specimen;SHPB;316L stainless steel

A

1674－5124(2016)11－0013－04

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.003

2016－05－15;

2016－07－02

國家自然科學基金(11302055)

曲嘉(1979－)，男，黑龍江哈爾濱市人，副教授，博士，主要從事沖擊動力學及強度理論研究。