平面应变断裂韧度K<|ⅠC<|sub> (平面应变断裂韧性)

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平面应变断裂韧度K_ⅠC的测试

图7-1 断裂韧度K随厚度B的变动

依据线弹性断裂力学，带裂纹体裂纹尖端左近的弹性应力场强度可用应力强度因子K（MPa·m）来度量。对Ⅰ型（张开型）裂纹的断裂准绳为：当应力强度因子K到达其临界值K时，裂纹即失稳裁减而造成断裂。K可由带裂纹的试件测得，它代表资料抵制裂纹失稳裁减的才干，称为“断裂韧度”。实验标明，资料的断裂韧度K随试件厚度B变动，如图7-1所示。在试件厚度连到某必定值B后，断裂韧度不再随厚度变动，此时则以为裂纹尖端左近的资料处于平面应变形态，其对应的断裂韧度值称为“平面应变断裂韧度”，用符号K表示。显然，K为一资料常数。

一、试件

图7-2为规范三点笔挺试样，S为梁的跨度，B、W为横截面的宽和高，a为裂纹长度，（W-a）为韧带宽度或称韧带尺寸。

图7-3为紧凑拉伸试样。

图7-2 规范三点笔挺试样

1.重要尺寸

为满足平面应变和小范畴屈服的条件，要求B、a、（W-a）满足下式：

岩石断裂与挫伤

式中σ为资料的屈服强度，依据σ/E值的不同可求出试样的最小厚度B和裂纹的最小长度a，最小尺寸如表7-1所示，我国规范驳回：a/W=0.45～0.55。

图7-3 紧凑拉伸试样

表7-1 试样的最小厚度B和裂纹的最小长度a

2.裂纹的制造

普通驳回铣削加工或线切割，用交变载荷预制疲劳引发裂纹，应满足下列要求：

（1）合乎尖裂纹的要求：疲劳裂纹长度3～5mm（至少不小于1.5mm）。

（2）预制疲劳裂纹长度在0.025a的最后阶段，疲劳应力强度因子最大值满足：K＜0.6K。K＜0.E（MPam）（防止载荷过大钝化裂纹尖端）。

（3）保障疲劳裂纹的裁减：疲劳应力强度因子幅度ΔK≥0.9 K。

二、测试原理

为了测定K值，须要对带有裂纹的试件启动拉伸或笔挺实验，使裂纹发生Ⅰ型裁减。而K就是裂纹开局失稳裁减的临界点处所对应的应力强度因子值。驳回适合的含裂纹试件，在实验面上加载，其应力强度因子K可概括为如下方式：

式中：F为载荷；a为裂纹长度；f（a）为与试件方式、形状尺寸、加载方式无关的a的函数。依据上式，应有

岩石断裂与挫伤

式中：F为临界载荷；a为临界裂纹长度。显然，只需从实验中测定F和a，即可获取K。

在现实平面应变条件下，裂纹前缘处的资料处于三向拉伸应力形态，出现良好的脆性。这时，只需裂纹一开局裁减，就会造成失稳断裂，也就是说，开裂点即为失稳点，临界裂纹长度a等于初始的裂纹长度a。然而，关于工程平面应变条件而言，因为试件外表左近平面应力形态的影响，裂纹开局裁减后经过一个较短的稳固裁减阶段才失稳断裂，开裂点并非失稳点。为消弭侧外表左近平面应力形态所形成的塑性影响以测得作为资料常数的K，应取开裂点作为临界点。然而，准确地测定开裂点是艰巨的，所以，在K实验方法中，关于清楚地存在裂纹稳固裁减阶段的状况，取裂纹等效裁减2%所对应的点（条件开裂点）作为临界点来确定F，而a则近似地驳回初始裂纹长度a。

三点笔挺试样，GB/T4161-2007介绍驳回的应力强度因子计算公式为

岩石断裂与挫伤

表7-2列出了三点笔挺试样在a/W=0.45～0.55时的f（a/W）值，可繁难查用。

表7-2 三点笔挺试样的f（a/W）数值表

关于紧凑拉伸试样，应力强度因子由下式计算：

岩石断裂与挫伤

表7-3列出了紧凑拉伸试样在a/W=0.45～0.55时的f（a/W）值。

表7-3 紧凑拉伸试样的f（a/W）值

续表

三、测试装置

不同试样的加载方法不同，三点笔挺试样的测试装置如图7-4所示，实验机为试样提供支承和载荷，载荷信号和引伸计信号经过管理器与计算机衔接，可获取载荷与切口位移的相关曲线。

图7-4 实验装置示用意

四、实验步骤

1.试样制备

（1）裂纹面取向应严厉按GB/T4161—2007规范启动。

在实践构件中取样时，试件的裂纹取向应与构件中最风险的裂纹方向分歧。

（2）试件厚度B可依据式（7-1）选用。

（3）取同炉批料加工2～3件惯例拉伸试件，供测σ用，且必定和K试件同炉热解决。

（4）试件粗加工和热解决后，再启动精加工，其最后尺寸和外表光亮度严厉按GB/T4161—2007规则口头。

（5）小试样用线切割机制出切口，切口根部圆弧半径小于0.08mm。

2.预制疲劳裂纹

为了模拟实践构件中存在的尖利裂纹，使获取的K数据可以对比和实践运行，试件必定在疲劳实验机上预制疲劳裂纹。其方法是：先用线切割机在试样上切割8mm长的机械切口，而后在疲劳实验机上使试样接受循环交变应力，引发尖利的疲劳裂纹，约为2mm。

将试件打磨一遍，去掉外表油垢。

在中神思械切口两侧各7.5mm处划线，用以标志放在疲劳实验机上；区分在两侧的机械切口前沿2mm处划线，用以观察其后疲劳裂纹成长到此线。

预制疲劳裂纹时，应细心监测试样两侧裂纹的萌生状况，防止两侧裂纹不对称开展。

3.测定条件

（1）试件厚度应在疲劳裂纹前缘韧带局部测量三次，取其平均值作为B。

测量精度要求0.02mm或0.1%B，取其中较大者记载。

（2）试件高度应在切口左近测量三次，取其平均值作为W，测量精度要求0.02mm或0.1%W，取其中较大者记载。

4.实验程序

（1）在试件上粘贴刀口以便能装置夹式引伸计，刀口内线间距不得超越22mm，装置夹式引伸计时要使刀口和引伸计的凹槽配合好。

（2）按图7-4装置三点笔挺实验支座，使加载线经过跨距S的中点，偏向在1%S，而且试样与支承辊的轴线应成直角，偏向在±2°以内。

（3）标定夹式引伸计。

（4）开动实验机，缓慢匀速加载，普通实验机速度为0.5～2mm/min，以使K的增长速率不至太快，保障应力强度因子的增长速率在0.55～2.75MN·m/s之间。加载至试样清楚开裂，停机。记载载荷F和刀口张开位移V之间的曲线。

（5）取下夹式引伸计，开动实验机，将试样压断，停机取下试样。

（6）记载实验温度和断口外貌。

五、实验结果的剖析及解决

1.裂纹失稳裁减时的临界载荷F

因为试样厚度与资料韧性不同，实验所得F-V曲线重要有三种类型，它们区分对应于三种断口外貌（图7-5）。

图7-5 三种典型的F-V曲线

F则由下述方法确定：在实验中智能记载载荷F随试件切口边缘（裂纹嘴）处两个裂纹外表的相对位移V的变动曲线，即F-V曲线，以对初始线性段斜率降低5%的割线与F-V曲线交点处对应的载荷F作为取得F的依据。假设在载荷到达F曲线各点载荷均小于F，则取F=F，可以证实，这样的临界载荷大抵对应于裂纹发生2%的等效裁减，这种状况对应着试件外表左近的平面应力形态存在清楚影响。假设载荷到达F前曲线各点对应载荷的最大值大于或等于F，则取这个载荷最大值作为F，这种状况凑近于现实平面应变形态。

繁难地讲，从F-V曲线图上确定F的方法是：先从原点O作一相对直线OE局部斜率缩小5%的直线来确定裂纹失稳裁减载荷F，直线与F-V曲线的交点为F，假设在F之前没有比F大的高峰载荷，则F=F（图7-5曲线Ⅰ）；假设在F之前有一个高峰载荷，则取这个高峰载荷为F（图7-5曲线Ⅱ和曲线Ⅲ）。

2.测定裂纹长度a

与临界载荷F对应的裂纹长度a，计算时可取初始裂纹长度a，间接从断后试样上量出。试样断裂后，可观察到裂纹长度沿厚度B方向呈弧状形，如图7-6所示。

为了能应用前述应力强度因子公式（公式中的a是对应着平直前缘裂纹的长度）计算试样的K，须要确定与试样的实践前缘裂纹相等效的平直前缘裂纹长度a。可取等效平直前缘裂纹长度：

岩石断裂与挫伤

图7-6 裂纹前缘长度

式中：a、a、a区分为沿厚度方向B/4、B/2、3B/4处的裂纹长度。

3.计算条件断裂韧性K并判别其有效性

将F、a代入K表白式中启动计算，获取的K称为“条件断裂韧度”，记为K。至于K能否为该资料的K，需审核上方两个条件：

岩石断裂与挫伤

若两个条件均满足，则所求得的K即为资料的平面应变断裂韧度K。否则实验结果有效，须放大尺寸从新测试（普通取1.5倍大试样），直到两个条件均满足。

4.实验报告

普通的实验报告要求具备下述内容：

试样编号、类型、裂纹面取向；资料的原始形态和屈服强度；试样厚度B、宽度W等；预制疲劳裂纹的条件；裂纹长度值a、a、a；实验温度、相对湿度、用K表示的加载速率；P-V曲线及无关计算；断口外貌特色；K的有效性条件或K不能作为K的要素。