金属材料弹塑性断裂与判据强度应力试验研究.docx
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金属材料弹塑性断裂与判据强度应力试验研究
金属材料弹塑性断裂与判据强度应力-σ1C试验研究
摘要本文通过对材料的本身断裂强度力学性能的分析,对金属材料
Ⅰ型(张开型)裂纹,引出一个像材料的屈服强度值s、抗拉强度σb
等一样的断裂强度应力判据参数--σ1C,通过试验可以确定用来准确
评价材料、定量工程设计,解决工程结构中意外的断裂事故不断的发
生。
关键词金属材料断裂判据强度应力--σ1C。
1材料的断裂力学性能
断裂力学萌芽于二十世纪二十年代格里菲思(Griffith)对玻璃低应力脆断的研究开始,到后来的泽纳(Zener)、霍洛蒙(Hollmon)、欧文(Irwin)、韦尔斯(Wells)、赖斯(Rice)等等。
直到今天断裂力学研究发展的历程,不管是哪一种思路和方式,都是设想利用一个材料本身的力学性能参量,来达到对材料的评价、工程的设计及预防工程断裂事故的发生的目的。
而它研究的核心基础是材料本身的力学性能。
什么是材料的断裂力学性能?
应具备什么样条件,才能对材料进行准确评价、定量的工程设计,解决工程结构中意外的断裂事故不断的发生呢?
首先什么是材料本身的力学性能?
肯定的回答是在外力(外因)作用下,材料内部结构(内因)所表现出来的行为。
根据这一定义,断裂力学一个重大的假定似裂纹形状的缺陷在材料中早已存在,在外力作用它将引起断裂破坏。
材料的断裂强度性能是裂纹尖端区域内部组织结构在外力作用下所表现出的力学性能。
下面需要协商达成共识几个问题。
(1)当材料的化学成份一定、热工艺一定时,材料的宏观结构、微观结构一定,也就是内部结构一定。
那么材料本身的力学性能也相对一定。
(2)例一个单位厚度金属板材,存在裂纹长度为a如图
(1),在AB截面内,材料的内部结构应是相同的。
当在外力作用下裂纹扩展通过AB截面后,AB截面内被破坏了的材料内部组织结构仍然相同。
那么,当裂纹通过AB截面时,各点释放能量相同。
图
(1)
(3)从裂纹尖端塑性区去分析。
材料存在裂纹时,裂纹尖端必有塑性区存在。
塑性区是否有界?
若无界,裂纹就不会失稳。
显然塑性区是有界,也是一定的。
如图
(1),当在外力作用下,裂纹扩展失稳在A点或B点时,各点释放能量应相同。
当材料的化学成份不同、热工艺不同时,裂纹尖端塑性区的大小也不同、释放能量也就不同。
事物发展根本规律外因是条件,内因是依据。
从以上分析可认为:
当材料的化学成份一定、热工艺一定时,材料的宏观结构、微观结构,也就是内部结构一定,材料存在裂纹或缺陷也一定。
在外力作用下使得裂纹扩展运动或断裂时,自然材料裂纹尖端本身抵抗(约束)裂纹扩展运动或断裂的强度性能,应是一恒定的力学性能常数参量,像材料的屈服强度值s(或名义屈服值σ0.2)、抗拉强度值σb等一样。
人们设想利用一个材料的本身力学性能参量,来达到评价材料、工程设计及预防工程断裂事故的发生的目的。
这个力学性能参量应在相对条件下经试验测得必须是一个常数,而且具有真实物理量。
二者不能缺一,这样才能准确评价材料和在工程中定量应用。
2I型断裂强度应力力学性能参量与试验方案
大量的工程结构断裂主要发生在张应力作用下的构件破坏,暂只分析研究材料存在I型裂纹的断裂。
在I型裂纹分析研究中也不侧重去具体研究尖端塑性区、塑性变形、裂纹尖端的钝化、裂纹尖端应力分布等,因发生工程断裂时材质为一定,裂纹尖端塑性区、弹性区及外力作用都为一定。
这些问题是下一步工程材料中已存在裂纹,判别是否有害的主要课题。
对I型断裂,根据大量调查研究发现存在大于0.1mm的裂纹客观实事,通过宏观角度分析找到一种合适方法,经过试验确定材料的裂纹尖端断裂强度应力,达到相对准确评价材料或定量解决工程结构断裂事故的目的。
讨论问题如下:
(1)在裂纹扩展运动或断裂,裂纹尖端总是产生或大或小的塑性区并且有界。
现裂纹尖端塑性区被大量弹性区包围,认为塑性区很小忽略不计,只是材料弹性平面应变宏观断裂问题,这也和实际工程结构工作状态一致,这样分析I型断裂简便了。
(2)其次金属材料晶体格常数A0=10-7mm,一般晶体大小肉眼难以看到,而晶粒本身又是不规则的。
从微观去研究这是金属学主要对象,对如何提高材料的性能是有实际意义。
但对工程材料已存在裂纹发生宏观断裂,从晶体结构去研究工程结构宏观断裂有一定难度,并且实际意义不大只能从宏观入手。
(3)断裂力学一个重大的假定似裂纹形状的缺陷在材料中早已存在。
在I型裂纹在外力作用下,从数学与力学观点分析裂纹尖端的存在应力集中系数。
如图
(2)a、b、c为同一种试件,在外力作用下裂纹扩展分别为a1 由于同一个试件,裂纹尖端塑性区、弹性区一定。 那么,裂纹尖端区域几何尺寸也为一定,也就得知a1、a2、a3裂纹尖端应力集中系数n分别是相等的。 也可认为在工程结构材料中裂纹的存在及裂纹扩展运动,裂纹尖端的应力集中系数也是相同的。 abc 图 (2)a、b、c 根据断裂强度力学性能及应具备条件的分析及上述观点,利用弹性力学将材料已存在裂纹在外力作用下裂纹发生运动与失稳时,引出一个新的材料断裂强度应力强度常量参数,像材料的屈服强度s、抗拉极限强度σb等一样通过试验确定。 现分别命名为材料断裂强度屈服应力值0及材料断裂极限强度应力(破坏)值c。 在I型裂纹存下分别为10与1C,以下主要研究材料I型断裂极限强度应力(破坏)值1C。 为了进一步证实材料的断裂强度应力1C是一个相对恒定常量的真实性,具体试验方案设计如下: (1)为了使最终的试验结果离散性最小。 所有试件均选材为同一块金属板材结构钢。 (2)为了比对试件几何尺寸的变化最终对试验结果的影响。 试件加工将长度L、高度W、厚度B分别加工为不同几何尺寸。 (3)为了比对不同预留缺口、不同预留缺口长度最终对试验结果的影响。 试件引发自然裂纹前预留的缺口,采用线切割与手工钢锯条两种不同方式及不同长度。 (4)为了比对不同裂纹长度最终对试验结果的影响。 在各试件预制引发不同长度的自然裂纹。 (5)为了比对在不同几何尺寸的试件上裂纹长度最终对试验结果的影响。 各试件上引发不同长度的自然裂纹。 (6)为了保证试验结果相对准确及可比性。 试验统一采用三点弯曲方法。 (7)为了消除三点弯试验加荷速度对最终试验结果带来影响。 试验加荷速度保持相对一致。 (8)为了消除试验环境温度对最终试验结果带来影响。 试验环境温度保持相对一致。 (9)为了保证试验结果的可信度和精度。 统一选用日本岛津(UEH-A200t)试验机。 (10)为了由于引发自然裂纹对最终试验结果带来影响。 选用瑞士(AMSLER-10t)试验机 3断裂强度应力1C试验与计算 (1)选材: 16Mn板材结构钢,厚度B=30mm,化学成分及常规力学性能见表1。 化学成分及常规力学性能表1 化学成分() 常规力学性能(Pa) C Si P S Mn s b 0.15 0.37 0.095 0.02 1.48 320 495 (2)试验设备选用 A.自然裂纹的引发选用瑞士(AMSLER-10t)试验机,见图(3)。 B.三点弯曲试验选用日本岛津(UEH-A200t)试验机,见图(4)。 图(3)自然裂纹引发选用试验机(瑞士AMSLER-10t) 图(4)1c三点弯曲测定选用试验机(日本岛津UEH-A200t) (3)试件加工 A.取样: 为了避免轧制方向与材料轧制面晶体结构的不均匀性对1c的影响,试件的取向为同一方向,试件加工最大厚度B=27(mm),在原材料两个轧制面各削取1.5(mm)见图(5、6)。 图(5)试件取样图(6)试件加工 B.试件尺寸: 为了比对试样尺寸对1c的影响,试件加工分别为四组见图(6)、表2。 C.预留缺口: 为了比对试件引发自然裂纹前预留缺口对1c的影响,分别采用线切割与手工锯条切割及不同深度见表2。 试件加工尺寸表2 编号 L W B N ao 件数 (mm) A-1 350 100 25 1.50 35(手工切割) 10 A-2 350 100 20 0.15 35(手工切割) 10 A-3 300 60 27 0.15 3(线切割) 8 A-4 250 50 25 0.15 3(线切割) 6 (4)试验方法 A.自然裂纹: 自然裂纹的引发采用人工预留缺口,将试件安装疲劳试验机预加外力,引发自然裂纹。 B.1C的测定: 采用三点弯曲。 注: 自然裂纹、1C的测定方法按断裂力学K1C、JC的测定方法。 C.在引发自然裂纹时,使自然裂纹尖端区域名义应力值fmaxfmin尽量变化不大。 D.1c三点弯曲测定中始终相对保持加荷速度一致。 E.试验过程中室内温度一般为150C200C(室温)。 (5)1C计算: 根据弹塑性理论关于材料在三点弯曲外力作用下,内应力传递分布规律如图(8)。 当材料一定时,材料的内部组织结构也就客观上一定。 裂纹尖端塑性区域的大小也为一定。 试验测得1C不仅能准确定量评价材料,而且实际工程结构中工作状态是一致的,在客观上裂纹尖端塑性区被包围的大量弹性区共同工作的,精确计算塑性区的宽度没有现实意义的,将裂纹存对时截面内在外力作用下内应力分布简化为图(9)。 (7)(8)(9) 试样受力图内应力分布图 1C计算见下式。 6M σ1c=------------------ B(W–ac)2 M: 1/4XSXPmaxS: 试样宽度W: 试样高度 a: 测量裂纹长度ac=(a1c+a2c+a3c)/3 裂纹测量示意图(10) 4试验结果与分析 (1).350X100X25(mm)试件随裂纹递增对1c的测定S=300(mm) 注: A-1-1A-1-5号试件一次性完成自然裂纹的引发,A-1-6A-1-10号试件23次完成自然裂纹的引发。 1c试验测定结果见表3。 共10个试件通过试验,随着试件自然裂纹长从a1c=43.79mm→63.84mm,a1c净增20.05mm,a1c/W-a1c从=0.78→1.77,B/W-a1c=0.45→0.69,1c的测得平均值为720Pa,最大离散性是平均值的+4.2%,1c显示了一个恒定常量。 1c测定后的试件断口照片见图(11)。 350X100X25(mm)试件随裂纹增对1c的测定结果表3 编号 B W a1c a1c/W-a1c B/W -a1c Pmax (kN) 1c (mm) Pa (kgf/mm2) 平均差值 () A1-1 25.09 100.05 43.79 0.78 0.45 125.53 705(72.4) -15 (-2.1) A1-2 25.06 100.00 45.37 0.83 0.46 115.91 700(71.1) -20 (-2.8) A1-3 25.10 100.05 49.39 0.97 0.50 101.01 705(72.0) -15 (-2.1) A1-4 25.11 100.08 51.67 1.07 0.52 90.61 695(70.7) -25 (-3.5) A1-5 25.10 100.04 53.34 1.14 0.54 87.57 720(73.4) 0.00 A1-6 25.10 100.00 59.96 1.50 0.63 64.72 725(73.8) +5 (+0.7) A1-7 25.11 100.04 63.95 1.77 0.70 54.62 750(76.6) +30 (+4.2) A1-8 24.99 100.05 68.61 2.18 0.79 40.70 740(75.6) +20 (+2.8) A1-9 25.06 100.05 66.01 1.94 0.74 53.35 735(74.7) +15 (+2.1) A1-10 25.10 100.00 63.84 1.77 0.69 47.46 735(74.9) +15→ (+2.1) 平均 与平均线720Pa最大差+30Pa,为4.2%。 720(73.6) 图(11)350X100X25(mm) 试件随裂纹递增,测定1c后试件断口照片 (2).350X100X20(mm)试件随裂纹增对1c的测定(S=300mm) 1c试验测定结果见表4。 共10个试件通过试验,随着试件自然裂纹长度从a1c=39.90mm→81.81mm,a1c净增41.91mm,a1c/W-a1c从=0.66→4.48,B/W-a1c=0.33→1.10,1c的测得平均值为730Pa,最大离散性是平均值的+7.5%,1c显示了一个恒定常量。 1c测定后的试件断口照片见图(12)。 350X100X20(mm)试件随裂纹增对1c的测定结果表4 编号 B W a1c a1c/W -a1c B/W -a1c Pmax (kN) 1c (mm) Pa (kgf/mm2) () A2-1 20.07 100.16 39.90 0.66 0.33 115.91 715(73.0) -15 (-2.1) A2-2 20.12 100.13 43.33 0.76 0.35 101.99 705(72.1) -25 (-3.4) A2-3 20.08 100.16 50.32 1.01 0.40 78.36 705(72.1) -25 (-3.4) A2-4 20.06 100.11 55.48 1.24 0.45 63.45 715(72.9) -15 (-2.1) A2-5 20.07 100.11 59.99 1.40 0.50 51.19 715(72.7) -15 (-2.1) A2-6 20.04 100.10 57.77 1.36 0.47 57.16 720(73.3) -15 (-2.1) A2-7 20.04 100.20 60.65 1.53 0.51 51.58 740(75.5) +10 (+1.4) A2-8 20.07 100.18 74.19 2.85 0.77 22.95 760(77.7) +30 (+4.1) A2-9 20.07 100.16 68.44 2.16 0.63 33.34 745(75.7) +15 (+2.1) A2-10 20.07 100.09 81.81 4.48 1.10 11.67 785(79.8) +55 (+7.5) 平均 与平均线730Pa最大差+55Pa,为7.5%。 730(74.3) 图(12)350X100X20(mm) 试件随裂纹递增,测定1c后试件断口照片 (3).350X60X27(mm)试件随裂纹增对1c的测定(S=250mm) 1c试验测定结果见表5。 共8个试件通过试验,随着试件自然裂纹长度从a1c=7.14mm→36.13mm,a1c净增28.99mm,a1c/W-a1c从=0.13→1.50,B/W-a1c=0.51→1.13,1c的测得平均值为740Pa,最大离散性是平均值的-2.0%,1c显示了一个恒定不变的常量。 1c测定后的试件断口照片见图(13)。 300X60X27(mm)试件随裂纹增对1c的测定结果表5 编号 B W a1c a1c/W -a1c B/W -a1c Pmax (kN) 1c (mm) Pa(kgf/mm2) 平均差值 () A3-1 27.09 60.16 7.14 0.13 0.51 149.65 735(75.1) -5 (-0.7) A3-2 27.04 60.12 11.35 0.23 0.55 124.74 725(74.2) -15 (-2.0) A3-3 27.09 60.14 15.80 0.36 0.61 104.74 735(75.2) -5 (-0.7) A3-4 27.09 60.22 19.47 0.48 0.66 87.28 730(74.2) -10 (-1.4) A3-5 27.03 60.15 23.62 0.65 0.74 70.61 735(74.9) -5 (-0.7) A3-6 27.09 60.23 26.87 0.78 0.81 60.11 750(76.3) +10 (+1.4) A3-7 27.03 60.15 32.59 1.18 0.98 40.40 740(75.3) 0 A3-8 27.09 60.20 36.13 1.50 1.13 31.38 750(76.5) +10 (+1.4) 平均 740(75.2) 与平均线740Pa最大差值-15Pa,为2.0%。 图(13)350X60X27(mm) 试件随裂纹递增,测定1c后试件断口照片 (4).250X50X25(mm)试件随裂纹增对1c的测定(S=200mm) 1c试验测定结果见表6。 共8个试件通过试验,随着试件自然裂纹长度从a1c=7.01mm→27.50mm,a1c净增20.49mm,a1c/W-a1c从=0.16→1.21,B/W-a1c=0.58→1.10,1c的测得平均值为760Pa,8个试件的最大离散性是平均值的-2.6%,1c显示了一个恒定不变的常量。 1c测定后的试件断口照片见图(14)。 250X50X25(mm)试件随裂纹增对1c的测定结果表6 编号 B W a1c a1c/W -a1c B/W -a1c Pa (kN) 1c (mm) Pa(kgf/mm2) 平均差值 (%) A4-1 25.05 50.27 7.01 0.16 0.58 119.44 765(77.9) +5 (+0.7) A4-2 25.05 50.19 12.35 0.33 0.66 90.61 760(77.3) ±0 (±0) A4-3 25.06 50.23 15.01 0.43 0.71 77.77 750(76.5) -10 (-1.3) A4-4 25.04 50.26 19.65 0.64 0.82 58.06 740(75.6) -20 (-2.6) A4-5 25.06 50.21 23.27 0.84 0.93 46.29 765(77.9) +5 (+0.7) A4-6 25.03 50.24 27.50 1.21 1.10 33.44 775(79.0) +15 (+2.0) 平均 760(77.7) 与平均线760Pa最大差值-20Pa,为2.6%。 图(14)250X50X25(mm) 试件随裂纹递增,测定1c后试件断口照片 对350X100X25(mm)、350X100X20(mm)、300X60X27(mm)、250X50X25(mm)四组共34个试件的试验,随裂纹长度a1c的增加对1c的测定结果汇总见表7及图(15)。 16Mn板材1c试验测定结果汇总表7 编号 试件规格 尺寸(mm) 预制裂纹 a1c→a1cmax (mm) a1c/W-a1c B/W-a1c 1c实测值Pa(kgf/mm2) 备注 值 离平均线最大值 [%] 标准差 S Pa 变异系数 CV% A1-10 350x100x25 43.73→ 63.84 0.78→1.77 0.45→0.69 720 (73.6) +30 [+4.2] 19 2.63 手工钢锯条切割,预留缺口宽度1.5mm,长30mm。 A2-10 350x100x20 39.90→ 81.81 0.66→4.48 0.33→1.10 730 (74.3) +55 [7.5] 26 3.62 手工钢锯条切割,预留缺口宽度1.5mm,长30mm。 A3-8 300X60X27 7.14→ 36.13 0.13→1.50 0.51→1.13 740 (75.2) -15 [2.0] 9 1.20 线切割预留缺口宽0.15mm, 长3mm。 A4-6 250X50X25 7.01→ 27.50 0.16→1.21 0.58→1.10 760(77.7) -20 [2.6] 12 1.63 线切割预留缺口宽0.15mm, 长3mm。 四组平均 7.14→ 81.81 740 (75.2) -45 [6.1] 17 2.27 共34个试件平均 735(74.9) +50 [6.8] 22 3.05 16Mn板材结构钢随着裂纹增大对1C测定 图(15) 通过对16Mn板材结构钢四组共34个试件的试验,在相同试验方法及基本相同试验温度环境下,从表7、图15中发现: (1)采用不同几何尺寸的试件长度L=250→350(mm)、试件高度W=50→100(mm)、试件厚度B=20→27(mm)。 (2)试验有效长度S=200→300(mm)。 (3)在预制自然裂纹前采用采用线切割预留缺口宽度0.15mm、长度3mm与手工钢锯留缺口宽度1.5mm、长度3mm条两种不同方式及不同长度。 (4)从试件预制自然裂纹A1a1c=43.73→63.84(mm)、A2a1c=39.90→81.81(mm)、A3a1c=7.14→36.13(mm)、A4a1c=7.01→27.50(mm)。 从34个试件看a1c=7.01→81.81mm(mm)。 (5)试件裂纹长度a1c与W-a1c比值变化。 计算出A1的a1c/W-a1c=0.78→1.77、A2的a1c/W-a1c=0.66→4.48、A3的a1c/W-a1c=0.13→1.50、A4的a1c/W-a1c=0.16→1.21。 (6)试件宽度B与W-a1c比值变化。 计算出A1的B/W-a1c=0.45→0.69、A2的B/W-a1c=0.33→1.10、A3的B/W-a1c=0.51→1.13、A4的B/W-a1c=0.58→1.10。
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