1、金屬板材緊湊拉伸試樣測定KR曲線的試驗(yàn)方法研究項(xiàng)目完成單位: 國家有色金屬和電子材料分析測試中心項(xiàng)目完成人: 朱其芳 孫澤明 王福生 姚偉 黃桂成摘 要 金屬薄壁板件的斷裂損傷容限及KR阻力曲線是金屬板材設(shè)計(jì)使用的重要依據(jù)，它表征了裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展時(shí)材料抵抗斷裂的特性。本課題對金屬板材緊湊拉伸試樣測定KR曲線試驗(yàn)方法開展研究。研究得到需調(diào)節(jié)防曲變板的約束力，使試樣的重復(fù)加載線斜率相對誤差小于2%時(shí)，試樣才能較好的保持平面應(yīng)力狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)標(biāo)定了緊湊拉伸試樣不同比例a/w的柔度，所得緊湊拉伸試樣的柔度標(biāo)定結(jié)果和柔度方程擬合值與國外資料相比，誤差波動(dòng)在3%以內(nèi)。擬合出了兩種鈦合金板材的KR a曲線的指數(shù)函

2、數(shù)形式。關(guān)鍵詞 金屬板材 緊湊拉伸試樣 柔度 KR曲線一、前言金屬板材做為薄壁板勁構(gòu)件大量已用于航海、航空、交通等重要工業(yè)領(lǐng)域。薄壁板勁構(gòu)件多數(shù)處于平面應(yīng)力或近似平面應(yīng)力狀態(tài)下承受載荷，在使用過程中其應(yīng)力和微裂紋狀態(tài)超過其損傷容限時(shí)，材料將會發(fā)生破壞性斷裂，造成很大的損失。金屬薄壁板件的斷裂損傷容限及KR阻力曲線是金屬板勁件設(shè)計(jì)使用的重要依據(jù)，它表征了裂紋緩慢穩(wěn)定擴(kuò)展時(shí)材料抵抗斷裂的特性,與構(gòu)件裂紋擴(kuò)展力曲線的切點(diǎn)所對應(yīng)的K值,表征了材料的平面應(yīng)力損傷容限-平面應(yīng)力斷裂韌度1。它與材料厚度、溫度及應(yīng)變率有關(guān),可以認(rèn)為在一定范圍內(nèi)與初始裂紋長度ao無關(guān)，工程上可用于安全設(shè)計(jì)。金屬板件斷裂損傷容限

3、及KR阻力曲線的評定方法建立，作為金屬板材的使用設(shè)計(jì)的依據(jù)是必要的。目前金屬板斷裂損傷容限測定及KR阻力曲線的測試方法在我國尚未建立，美國材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法協(xié)會(ASTM)已制定金屬板材斷裂損傷容限KR阻力曲線測試方法的標(biāo)準(zhǔn)2,我國這一方面的工作還很薄弱，尚未建立國家標(biāo)準(zhǔn)。航空工業(yè)部等單位已開展這一方面的研究,所研究方法偏重于采用中心裂紋板材試樣為試驗(yàn)試樣,該試樣要求較大的幾何尺寸，試樣的最小寬度W應(yīng)為35ry,其中：才能滿足線彈性邊界條件,這樣的尺寸難以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的平整度要求,同時(shí)要求實(shí)驗(yàn)儀器要求幾何尺寸大,給試樣加工，斷裂試驗(yàn)等方面都帶來很多困難。特別是碰到故障分析、工藝對比試驗(yàn)等就難以進(jìn)行,

4、造成實(shí)驗(yàn)的普適性較差。用緊湊拉伸試樣測定KR曲線就可較好解決上述問題，緊湊拉伸試樣所需試樣幾何尺寸小，是中心裂紋板材試樣的六分之一，使用實(shí)驗(yàn)條件有較大的普適性，在經(jīng)濟(jì)和實(shí)用角度上都有較大的優(yōu)勢，美國材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會也采用了緊湊拉伸試樣來評定金屬板材的KR阻力曲線。研究建立測定金屬板材緊湊拉伸試樣測定KR曲線的方法研究是必需的。本課題對金屬板材緊湊拉伸試樣測定KR曲線的試驗(yàn)方法開展研究.二、試驗(yàn)緊湊拉伸試樣試樣寬度和初始裂紋長度分別為：W>16(ry)maxao =0.350.45W試樣形狀如圖.1. 所示,取W=100mm。試樣表面平整、在裂紋尖端附近區(qū)域無劃傷，銹蝕等缺陷。試樣切口用線

5、切割加工，切口前緣半徑不大于0.12毫米，所用材料見表.一:表1 材料及力學(xué)性能材 料 名 稱抗拉強(qiáng)度Rm MPa屈服強(qiáng)度RP0.2 MPa彈性模量 E GPa板厚mm第一種鈦合金板110086011000 2.6第二種鈦合金板100090012000 2.0圖1. 金屬板材緊湊拉伸KR試樣圖試驗(yàn)在AG-25TA萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣裝入專用防曲裝置，在試樣裂紋及其延長線與加載線的交點(diǎn)向右移0.1567w位置上v1處（Ø6.0孔中）按裝插入式引伸計(jì)，以測定裂紋張開位移。通過對試樣的緩慢加載，可在XY記錄儀上畫出載荷與位移曲線，即P圖2. 金屬板材緊湊拉伸KR實(shí)驗(yàn)P 2V 曲線由上

6、述P-2V曲線取相應(yīng)的(Pi. 2Vi)數(shù)據(jù)點(diǎn)，用柔度公式查出對應(yīng)的ai 值，得到（Pi、ai）試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。 KRi按下式計(jì)算: 式中2式中a為有效裂紋長度ae,所得KRi 、ai 數(shù)據(jù)點(diǎn)，可擬合KRi ai曲線方程。三、討論:(1)關(guān)于防曲變裝置由于試樣寬度W與試樣厚度B的比例極大,在垂直于加載平面上,試樣如沒有受到約束,加載平面與試樣平面極易偏離,試樣將產(chǎn)生嚴(yán)重的屈曲形變,因此擾亂裂紋尖端應(yīng)力、應(yīng)變場。為消除屈曲形變的影響，試驗(yàn)時(shí)需配置防曲變板，使試樣受到垂直于加載平面方向的約束。防曲變板周圍螺釘擰住，開有觀察裂紋和安裝探頭引伸計(jì)的窗口，以便測量位移和觀察裂紋擴(kuò)展情況。通常，要求試樣與防曲

7、夾具之間的磨擦最小,防曲變板內(nèi)側(cè)用光面膠帶粘貼或涂潤滑劑，減少摩擦力。用反復(fù)幾次局部加載卸載的方式，觀察加載斜率與卸載斜率是否重合。通過夾持松緊度的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)防曲變板對試樣的約束，使試樣保持受平面應(yīng)力狀態(tài)，使其重復(fù)加載線斜率相對誤差小于2%。（2）柔度標(biāo)定在金屬板材KR曲線試驗(yàn)方法中，柔度值的選用是計(jì)算有效裂紋長度a=ao+ry的基礎(chǔ)，通常有理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定兩種方法得到3，后者則從具體試驗(yàn)條件與同類試樣尺寸的條件下直接進(jìn)行標(biāo)定，以得到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)偏差。本文對金屬板材緊湊拉伸試樣進(jìn)行柔度標(biāo)定，經(jīng)無量綱處理后，得到的數(shù)據(jù)如下表.二 給出：表2 金屬板材緊湊拉伸試樣柔度標(biāo)定數(shù)據(jù)a/w0.30.40.5

8、0.60.7B2VE/P20.5330.8850.178.76150.48所得無量綱柔度數(shù)據(jù)采用多元線性回歸擬合，得到緊湊拉伸試樣無量綱柔度方程為：柔度標(biāo)定曲線見圖.3 ，柔度方程的擬合值與國外資料 2 相比，誤差波動(dòng)在3%以內(nèi)。圖 3 金屬板材緊湊拉伸KR試樣柔度標(biāo)定曲線（3）關(guān)于最小試樣寬度的確定緊湊拉伸試樣的工作寬度W是基本尺寸，這個(gè)尺寸一確定，試樣的各部分尺寸均按W尺寸比例變化。所以確定允許的最小寬度是一個(gè)極重要的問題。在 ASTME561“R曲線測定方法”中規(guī)定：緊湊拉伸試樣的有效判據(jù)為試樣失效時(shí)試樣的剩余未裂韌帶至少為：相當(dāng)于塑性區(qū)修正量的8倍，即8ry 。試樣的初始裂紋長度a0=

9、0.35-0.45w之間變化，如取上限，可以減小試樣尺寸。試樣寬度應(yīng)為： wmin >16（ry ）max本試驗(yàn)選用試樣寬度W為100mm,根據(jù)所用材料的數(shù)據(jù)計(jì)算,試樣寬度滿足試驗(yàn)的有效性判據(jù)要求.(4) KR曲線函數(shù)擬合法:由于金屬板材裂紋擴(kuò)展阻力強(qiáng)度因子KR值與裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展量a的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律,所以選用KR=e(a+ C0) 作為KR a曲線的擬合方程形式，能較合理的表達(dá)金屬板材裂紋擴(kuò)展阻力強(qiáng)度因子KR值與裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展量a的關(guān)系 4 。式中、為常數(shù)，C0可根據(jù)材料試選,使擬合誤差最小,一般可選用0.45。、(KRi、C)數(shù)據(jù)(i=1、2、3、n)的確定：=y X式中：Xi=ln(ai+C0) Yi=lnKRi第一種鈦合金板材,所的數(shù)據(jù)擬合成KR曲線方程：KR=e5.0174（a+2.5）0.669第二種鈦合金板材,所的數(shù)據(jù)擬合成KR曲線方程：KR=e5.63（a+2.5）0.334四、結(jié)論 1金屬板材緊湊拉伸試樣測定KR曲線，實(shí)驗(yàn)時(shí)需附加試樣防曲變裝置，使試樣保持較好的平面應(yīng)力狀態(tài)。 2不同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可進(jìn)行柔度標(biāo)定，以檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)偏差。 3裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展阻力KR a曲線可用指數(shù)函數(shù)形式表達(dá)。參考文獻(xiàn)1D.Brock工程斷裂力學(xué)基礎(chǔ)王克仁譯2ASTM.E561 standard practice for R-curve Determination 1