超高強(qiáng)度鋼平面應(yīng)變斷裂韌度測(cè)試

王 凱，高文英

（海軍裝備部，陜西 西安710043）

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超高強(qiáng)度鋼平面應(yīng)變斷裂韌度測(cè)試

王 凱，高文英

（海軍裝備部，陜西 西安710043）

摘要：從試樣設(shè)計(jì)、預(yù)制疲勞裂紋、KIC測(cè)試及數(shù)據(jù)等方面系統(tǒng)供的介紹斷裂韌度SENB測(cè)試方法，并結(jié)合試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出最佳的試驗(yàn)參數(shù)范圍。

關(guān)鍵詞：斷裂韌度；試樣；裂紋；KIC測(cè)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(kuò)展的韌度指標(biāo)。在一定的測(cè)試條件下，材料的斷裂韌度是一個(gè)常數(shù)。對(duì)于超超強(qiáng)度鋼，其斷裂韌度測(cè)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(jì)算公式如式（1）所示。

圖1　SENB方法測(cè)試斷裂韌度示意圖

式中，F(xiàn)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(yàn)時(shí)兩支點(diǎn)跨距，a為試樣裂紋長(zhǎng)度，f1（a/W）為試樣的形狀系數(shù)，與裂紋長(zhǎng)度和試樣尺寸有關(guān)，當(dāng)測(cè)試結(jié)果滿足斷裂韌度測(cè)試的有效性判定時(shí)，KIQ即為材料的KIC.

本文將從試樣設(shè)計(jì)、預(yù)制疲勞裂紋、KIC測(cè)試及數(shù)據(jù)等方面系統(tǒng)供的介紹斷裂韌度SENB測(cè)試方法。

1　斷裂韌度試樣設(shè)計(jì)

1.1斷裂韌度試樣尺寸設(shè)計(jì)

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

根據(jù)Misces屈服準(zhǔn)則，在平面應(yīng)變控制狀態(tài)下裂紋尖端附近屈服區(qū)邊界的曲線方程為：

試樣寬度W，一般均選擇W=2B.

進(jìn)行斷裂韌度試樣選擇時(shí)，可根據(jù)相關(guān)材料特性，預(yù)估材料的斷裂韌度進(jìn)行計(jì)算，以計(jì)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(qiáng)度σs按照標(biāo)準(zhǔn)中的最低要求1 320 MPa，預(yù)估斷裂韌度KIC為80～100 MPa，計(jì)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(yàn)結(jié)果的有效性。

1.2斷裂韌度初始裂紋源尺寸設(shè)計(jì)

試樣初始裂紋源a0是影響整個(gè)斷裂韌度測(cè)試過程的重要參數(shù)之一，其尺寸選擇與試樣尺寸、預(yù)制裂紋過程中的裂紋擴(kuò)展量Δa有關(guān)。

斷裂測(cè)試最終裂紋長(zhǎng)度a（a0+Δa）必須滿足以下條件，測(cè)試結(jié)果才能有效。

在初始裂紋源設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)尺寸過小，可能導(dǎo)致試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，試驗(yàn)成本高，尺寸過大，則試驗(yàn)過程難以控制，容易導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效，因此設(shè)計(jì)時(shí)一般以裂紋擴(kuò)展量Δa為依據(jù)，選擇裂紋擴(kuò)展量Δa為2.5 ～3 mm，以最佳裂紋長(zhǎng)度（a=0.5W）減去Δa即為初始裂紋源的最佳尺寸。

2　預(yù)制疲勞裂紋

預(yù)制疲勞裂紋的方式很多，有可視法、柔度法等?？梢暦ㄊ侵冈陬A(yù)制過程中，不斷測(cè)量預(yù)制疲勞裂紋的擴(kuò)展量，直至設(shè)定的裂紋尺寸；測(cè)試過程中往往需要反復(fù)加載或需要在測(cè)試設(shè)備上安裝精度較高的測(cè)量裝置，使試驗(yàn)變得復(fù)雜，因此，除有特殊要求，一般不采用可視法。柔度法是根據(jù)含裂紋的試樣與其無(wú)量綱的柔度（其中Δ為加載點(diǎn)的位移）與無(wú)量綱裂紋長(zhǎng)度a/W之間存在著確定的函數(shù)關(guān)系，通過引伸計(jì)的張開位移確定裂紋的預(yù)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(yīng)力強(qiáng)度因子控制）等。無(wú)論采用何種方式，均必須滿足標(biāo)準(zhǔn)的兩大規(guī)定：

（1）預(yù)制疲勞裂紋初始2.5%階段時(shí)最大應(yīng)力強(qiáng)度因子Kfmax不超過試驗(yàn)確定的條件值KIQ的80%；

（2）預(yù)制疲勞預(yù)裂紋的最后2.5%階段最大應(yīng)力強(qiáng)度因子Kfmax不應(yīng)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(yù)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(yù)制過程中，可根據(jù)裂紋擴(kuò)展量逐級(jí)調(diào)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(kuò)展最后階段的應(yīng)力強(qiáng)度因子處于較低狀態(tài)。

采用載荷法進(jìn)行疲勞裂紋預(yù)制時(shí)，所施加的疲勞載荷必須嚴(yán)格控制，其最大疲勞載荷的計(jì)算方法如下所示：

可以看出，只要確定試驗(yàn)時(shí)的最大應(yīng)力強(qiáng)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(yù)制疲勞裂紋時(shí)，裂紋擴(kuò)展過程中，隨著裂紋擴(kuò)展量的不斷增加，其應(yīng)力強(qiáng)度因子也是不斷增加的，如圖2所示，大量的試驗(yàn)表明，恒載法裂紋擴(kuò)展過程中應(yīng)力強(qiáng)度因子呈指數(shù)增加，因此載荷需在計(jì)算值的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小才能保證預(yù)制裂紋過程有效。但加載載荷并非越小越好，由疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN理論可知，僅當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展速率介于10-6～10-3mm/次時(shí)，疲勞裂紋才會(huì)穩(wěn)定擴(kuò)展，小于10-7mm/次，裂紋不擴(kuò)展，超過10-3mm/次時(shí)，會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展。因此疲勞載荷不宜過大，也不宜過小，從試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，選擇Fmax的40%～50%進(jìn)行可獲得理想的預(yù)制效果。

圖2　恒載法中試驗(yàn)過程各項(xiàng)參數(shù)變化變化規(guī)律

采用逐級(jí)降載法除對(duì)加載載荷有要求外，逐級(jí)降載次數(shù)不宜過多，一般不超過3次。圖3為降載法預(yù)制疲勞裂紋過程曲線，在預(yù)制裂紋的最后25%階段，載荷降低20%，相應(yīng)的裂紋擴(kuò)展過程中應(yīng)力強(qiáng)度因子降低，裂紋擴(kuò)展速率減小。另外如試驗(yàn)機(jī)不具備自動(dòng)降載的能力，則不建議使用降載法，因?yàn)樵嚇友b夾過程中，裂紋會(huì)出現(xiàn)閉合效應(yīng)，重新裝夾，裂紋擴(kuò)展需要重新吸收能量，可能會(huì)測(cè)試結(jié)果造成偏差。

圖3　降載法中試驗(yàn)過程各項(xiàng)參數(shù)變化規(guī)律

2.2應(yīng)力強(qiáng)度因子控制法

應(yīng)力強(qiáng)度因子控制法（ΔK控制）是指直接設(shè)定預(yù)制裂紋過程中應(yīng)力強(qiáng)度因子的范圍來(lái)進(jìn)行疲勞裂紋預(yù)制，如試驗(yàn)過程中，指定交變載荷中最小循環(huán)應(yīng)力和最大循環(huán)應(yīng)力之比R（R不大于0.1），即可根據(jù)式（7）和式（8），計(jì)算試驗(yàn)過程中的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子Kfmax.

最終試驗(yàn)過程中的應(yīng)力強(qiáng)度因子也可按照40% ～50%Kfmax進(jìn)行選擇，如406A超高強(qiáng)度鋼，以條件值KIQ為80 MPa·為估算值，選擇試驗(yàn)過程最大Kfmax為KIQ的60%即48 MPa·，試驗(yàn)時(shí)Kmax達(dá)到48 MPa·的40%～50%即可。

應(yīng)力強(qiáng)度因子法的優(yōu)點(diǎn)是選擇參數(shù)只需考慮材料的特性，而不受到試樣尺寸的限制，計(jì)算量小。圖4為恒K法預(yù)制疲勞裂紋的各項(xiàng)參數(shù)變化規(guī)律。同時(shí)也采用變K法和降K法進(jìn)行疲勞裂紋預(yù)制，變K法的方法與降載法基本一致，降K法指在整個(gè)預(yù)制疲勞裂紋裂紋，裂紋每擴(kuò)展一定尺寸，其應(yīng)力強(qiáng)度因子以特定的速率不斷減小，采用降K法進(jìn)行疲勞裂紋預(yù)制，裂紋擴(kuò)展尺寸精度和形狀均較好，精細(xì)試驗(yàn)時(shí)可采用此方法。

圖4　恒K法中試驗(yàn)過程各項(xiàng)參數(shù)變化規(guī)律

3　KIC測(cè)試及試驗(yàn)結(jié)果處理

3.1KIC測(cè)試

KIC測(cè)試時(shí)加載速率對(duì)材料斷裂韌度影響較大，一般認(rèn)為：斷裂韌度加載速率增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(cè)試結(jié)果有效性的判據(jù)，同時(shí)也是獲得較好試驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。KIC測(cè)試過程可采用位移法和載荷法兩類，確保試驗(yàn)過程中應(yīng)力強(qiáng)度因子增加的速率在0.5～3.0 MPa·/s范圍內(nèi)即可保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性。

3.2試驗(yàn)結(jié)果處理

KIC測(cè)試結(jié)束，在工具顯微鏡上分別測(cè)量試樣邊緣及1/4B，1/2B，3/4B處的裂紋，其中，5點(diǎn)裂紋尺寸分別按照疲勞裂紋擴(kuò)展有效性條件進(jìn)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(zhǎng)度a，并按照式（1）進(jìn)行結(jié)果計(jì)算，計(jì)算結(jié)果按式（9）～式（11）進(jìn)行有效性判定，通過判定，測(cè)定的條件斷裂韌度值KIQ為材料的斷裂韌度KIC，否則試驗(yàn)無(wú)效。

4　討論與分析

斷裂韌度測(cè)試結(jié)果受多種因素限制，比如試驗(yàn)機(jī)等級(jí)，試樣尺寸測(cè)量、裂紋的尺寸測(cè)量、引伸計(jì)精度甚至不同的實(shí)驗(yàn)人員都有可能造成測(cè)試結(jié)果偏差，因此試驗(yàn)時(shí)除了嚴(yán)格遵循試驗(yàn)方法，細(xì)小操作意外，盡可能使同批次材料試樣件均在同一種試驗(yàn)方法下完成，以保證測(cè)試結(jié)果具有可對(duì)比性。

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中圖分類號(hào)：TG115

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0026-04

收稿日期：2016-01-30

作者簡(jiǎn)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