超高強度鋼平面應變斷裂韌度測試

王 凱，高文英

（海軍裝備部，陜西 西安710043）

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超高強度鋼平面應變斷裂韌度測試

王 凱，高文英

（海軍裝備部，陜西 西安710043）

摘要：從試樣設計、預制疲勞裂紋、KIC測試及數據等方面系統供的介紹斷裂韌度SENB測試方法，并結合試驗經驗，總結出最佳的試驗參數范圍。

關鍵詞：斷裂韌度；試樣；裂紋；KIC測試

斷裂韌度是材料的固有性能，是在一定邊界條件下材料阻止裂紋擴展的韌度指標。在一定的測試條件下，材料的斷裂韌度是一個常數。對于超超強度鋼，其斷裂韌度測試通常采用SENB方法，方法如圖1所示，KIC（材料的斷裂韌度）的計算公式如式（1）所示。

圖1　SENB方法測試斷裂韌度示意圖

式中，F為試樣斷裂載荷，B、W分別為試樣厚度和試樣寬度，S為試驗時兩支點跨距，a為試樣裂紋長度，f1（a/W）為試樣的形狀系數，與裂紋長度和試樣尺寸有關，當測試結果滿足斷裂韌度測試的有效性判定時，KIQ即為材料的KIC.

本文將從試樣設計、預制疲勞裂紋、KIC測試及數據等方面系統供的介紹斷裂韌度SENB測試方法。

1　斷裂韌度試樣設計

1.1斷裂韌度試樣尺寸設計

斷裂韌度測試中試樣的厚度強烈影響裂紋前端的應力約束，當試樣厚度較小時，試樣裂紋尖端處于平面應力狀態，隨著試樣厚度的增加，平面應力狀態逐漸向平面應變狀態過渡，在試樣超過一定厚度時，材料將完全處于平面應變狀態[1、2]。因此試樣厚度是影響平面應變斷裂韌度測試結果有效性的重要參數之一[3]。

根據Misces屈服準則，在平面應變控制狀態下裂紋尖端附近屈服區邊界的曲線方程為：

試樣寬度W，一般均選擇W=2B.

進行斷裂韌度試樣選擇時，可根據相關材料特性，預估材料的斷裂韌度進行計算，以計算的最大厚度確定為試樣的最小厚度。以D406A為例，材料的屈服強度σs按照標準中的最低要求1 320 MPa，預估斷裂韌度KIC為80～100 MPa，計算出其最小試樣厚度為9.2～14.3 mm，因此其最小試樣厚度大于15 mm，以確保試驗結果的有效性。

1.2斷裂韌度初始裂紋源尺寸設計

試樣初始裂紋源a0是影響整個斷裂韌度測試過程的重要參數之一，其尺寸選擇與試樣尺寸、預制裂紋過程中的裂紋擴展量Δa有關。

斷裂測試最終裂紋長度a（a0+Δa）必須滿足以下條件，測試結果才能有效。

在初始裂紋源設計時，設計尺寸過小，可能導致試驗周期較長，試驗成本高，尺寸過大，則試驗過程難以控制，容易導致試驗結果無效，因此設計時一般以裂紋擴展量Δa為依據，選擇裂紋擴展量Δa為2.5 ～3 mm，以最佳裂紋長度（a=0.5W）減去Δa即為初始裂紋源的最佳尺寸。

2　預制疲勞裂紋

預制疲勞裂紋的方式很多，有可視法、柔度法等。可視法是指在預制過程中，不斷測量預制疲勞裂紋的擴展量，直至設定的裂紋尺寸；測試過程中往往需要反復加載或需要在測試設備上安裝精度較高的測量裝置，使試驗變得復雜，因此，除有特殊要求，一般不采用可視法。柔度法是根據含裂紋的試樣與其無量綱的柔度（其中Δ為加載點的位移）與無量綱裂紋長度a/W之間存在著確定的函數關系，通過引伸計的張開位移確定裂紋的預制程度，該方法目前比較常用。柔度法的控制方式主要有恒載法和降載法（載荷控制）、恒K法、變K法和降K法（應力強度因子控制）等。無論采用何種方式，均必須滿足標準的兩大規定：

（1）預制疲勞裂紋初始2.5%階段時最大應力強度因子Kfmax不超過試驗確定的條件值KIQ的80%；

（2）預制疲勞預裂紋的最后2.5%階段最大應力強度因子Kfmax不應超過條件值KIQ的60%.

2.1載荷控制法

恒載法顧名思義即在預制疲勞裂紋過程中加載疲勞載荷ΔK始終保持一致。降載法是疲勞裂紋預制過程中，可根據裂紋擴展量逐級調整疲勞加載載荷，但每次載荷降低不得超過20%，此方法可保證疲勞裂紋擴展最后階段的應力強度因子處于較低狀態。

采用載荷法進行疲勞裂紋預制時，所施加的疲勞載荷必須嚴格控制，其最大疲勞載荷的計算方法如下所示：

可以看出，只要確定試驗時的最大應力強度因子Kfmax，即可確定加載的最大疲勞載荷。值得一提的是采用恒載法預制疲勞裂紋時，裂紋擴展過程中，隨著裂紋擴展量的不斷增加，其應力強度因子也是不斷增加的，如圖2所示，大量的試驗表明，恒載法裂紋擴展過程中應力強度因子呈指數增加，因此載荷需在計算值的基礎上進一步減小才能保證預制裂紋過程有效。但加載載荷并非越小越好，由疲勞裂紋擴展速率da/dN理論可知，僅當疲勞裂紋擴展速率介于10-6～10-3mm/次時，疲勞裂紋才會穩定擴展，小于10-7mm/次，裂紋不擴展，超過10-3mm/次時，會出現失穩擴展。因此疲勞載荷不宜過大，也不宜過小，從試驗經驗來看，選擇Fmax的40%～50%進行可獲得理想的預制效果。

圖2　恒載法中試驗過程各項參數變化變化規律

采用逐級降載法除對加載載荷有要求外，逐級降載次數不宜過多，一般不超過3次。圖3為降載法預制疲勞裂紋過程曲線，在預制裂紋的最后25%階段，載荷降低20%，相應的裂紋擴展過程中應力強度因子降低，裂紋擴展速率減小。另外如試驗機不具備自動降載的能力，則不建議使用降載法，因為試樣裝夾過程中，裂紋會出現閉合效應，重新裝夾，裂紋擴展需要重新吸收能量，可能會測試結果造成偏差。

圖3　降載法中試驗過程各項參數變化規律

2.2應力強度因子控制法

應力強度因子控制法（ΔK控制）是指直接設定預制裂紋過程中應力強度因子的范圍來進行疲勞裂紋預制，如試驗過程中，指定交變載荷中最小循環應力和最大循環應力之比R（R不大于0.1），即可根據式（7）和式（8），計算試驗過程中的最大應力強度因子Kfmax.

最終試驗過程中的應力強度因子也可按照40% ～50%Kfmax進行選擇，如406A超高強度鋼，以條件值KIQ為80 MPa·為估算值，選擇試驗過程最大Kfmax為KIQ的60%即48 MPa·，試驗時Kmax達到48 MPa·的40%～50%即可。

應力強度因子法的優點是選擇參數只需考慮材料的特性，而不受到試樣尺寸的限制，計算量小。圖4為恒K法預制疲勞裂紋的各項參數變化規律。同時也采用變K法和降K法進行疲勞裂紋預制，變K法的方法與降載法基本一致，降K法指在整個預制疲勞裂紋裂紋，裂紋每擴展一定尺寸，其應力強度因子以特定的速率不斷減小，采用降K法進行疲勞裂紋預制，裂紋擴展尺寸精度和形狀均較好，精細試驗時可采用此方法。

圖4　恒K法中試驗過程各項參數變化規律

3　KIC測試及試驗結果處理

3.1KIC測試

KIC測試時加載速率對材料斷裂韌度影響較大，一般認為：斷裂韌度加載速率增加一個數量級，其斷裂韌度降低10%[4]，因此合理控制斷裂韌度加載速率不僅是測試結果有效性的判據，同時也是獲得較好試驗數據的關鍵。KIC測試過程可采用位移法和載荷法兩類，確保試驗過程中應力強度因子增加的速率在0.5～3.0 MPa·/s范圍內即可保證試驗結果的有效性。

3.2試驗結果處理

KIC測試結束，在工具顯微鏡上分別測量試樣邊緣及1/4B，1/2B，3/4B處的裂紋，其中，5點裂紋尺寸分別按照疲勞裂紋擴展有效性條件進行有效性判定，1/4B，1/2B，3/4B處裂紋的平均值記為試樣裂紋最終長度a，并按照式（1）進行結果計算，計算結果按式（9）～式（11）進行有效性判定，通過判定，測定的條件斷裂韌度值KIQ為材料的斷裂韌度KIC，否則試驗無效。

4　討論與分析

斷裂韌度測試結果受多種因素限制，比如試驗機等級，試樣尺寸測量、裂紋的尺寸測量、引伸計精度甚至不同的實驗人員都有可能造成測試結果偏差，因此試驗時除了嚴格遵循試驗方法，細小操作意外，盡可能使同批次材料試樣件均在同一種試驗方法下完成，以保證測試結果具有可對比性。

參考文獻：

[1]楊繼運，張行.材料斷裂韌度與試樣厚度的關系研究[J].機械強度，2003，25（1）:76-80.

[2]何宇廷，傅祥炯，陳瑞峰.材料斷裂韌度測試中的厚度效應[J].機械科學與技術，1997，16（5）:856-860.

[3]師俊平，趙蕾，湯安民.平面應變斷裂韌度測試的有效性研究[J].應用力學學報，2009，26（5）:432-436.

[4]Kumar R R，Jana M K，Rag G V，et al.Accurate evaluation of strain-energy release rate in FEP compact-tension specimen toughness[J].Engineering Fracture Mechanics，1997，58（3）: 163-172.

中圖分類號：TG115

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0026-04

收稿日期：2016-01-30

作者簡介：王凱（1979-），男，碩士，工程師，主要從事武器裝備研究；高文英（1980-），男，碩士，工程師，主要從事武器裝備研究。

Ultra-high Strength Steel Plane Strain Fracture Toughness Test

WANG Kai，GAO Wen-ying
（Equipment Department of the Navy，Xi’an Shaangxi 710043，China）

Abstract：This article introduces the fracture toughness SENB test methods from sample design，pre-forming fatigue crack，KICtest and data，combines test experiences and gives the best scope of test data.

Key words：fracture toughness；test sample；crack；KICtest