韧性断裂

韧性断裂

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2023年3月18日发(作者：投奔读音)

第２３卷第４期

２００５年７月

物理测试

Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ

ＶｏＩ．２３，Ｎｏ．４

Ｊｕｌｙ ２００５

钢的动态断裂韧性及止裂韧性的研究现状

白新房， 高怡斐

（钢铁研究总院分析测试所，北京１０００８１）

摘要：根据国内外关于动态断裂力学性能的研究文献，对动态断裂韧性Ｋ—ａ（．，一ａ）及止裂韧性的研究现状进行了

概括总结。

关键词：动态断裂韧性；起裂点；止裂韧性

中图分类号：ＴＧｌｌ３．２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—０７７７（２００５）０４—０００１—０５

Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ

Ｃｒａｃｋ Ａｒｒｅｓｔ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｎ Ｓｔｅｅｌｓ

ＢＡＩ Ｘｉｎ—ｆａｎｇ． ＧＡｏ Ｙｉ—ｆｅｉ

（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ＫＩｄ（．，Ｉｄ）ａｎｄ ｃｒａｃｋ ａｒｒｅｓｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｗａｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ

ｂｙ ｐａｐｅｒｓ ａｂｏｕｔ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｙｎａｍｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ；ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ；ｃｒａｃｋ ａｒｒｅｓｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ

综合考虑工程构件在复杂、苛刻服役条件下，在

静态、准静态断裂韧度的基础上，国内外的科研工作

者对动态断裂韧度Ｋ。 （Ｊ ）进行了深入研究。此

外，基于对现存裂纹一旦失稳扩展，材料应具有在尽

可能小的范围内将裂纹止住的能力考虑，止裂韧性

也成为重要的安全评定性能指标，进入了科研工作

者的研究视野。

１ 动态断裂韧性测试的研究现状

１．１起裂点的确定

在钢的断裂韧性测试中，起裂点的确定是关键

问题，尤其在动态条件下，需要考虑惯性效应影响，

使测试变得更加困难，特别对于屈服后的断裂（对于

屈服前的断裂，其断裂过程属于解理断裂，起裂点就

是最大力点 ］）。所以，寻求更加准确有效的方法进

行起裂点的确定始终是力学研究者一直关心，并且

深入研究的工作之一。目前，国内外确定起裂点的

主要方法有：

声发射法ｌ２］：在加载过程中，先是产生弹性变

形，接着裂纹顶端区产生塑性变形（微观机构是位错

的运动），当塑性变形达到临界状态后才产生纤维开

裂（微观结构是空洞的形核、长大及连接）。由此看

来，对于塑性变形和开裂，声发射的特征是不一样

的。故可用声发射法来确定开裂点。

金相法ｌ２］：加载时记录Ｐ— 曲线，在过开裂点Ｃ

（预先估计）之后任一点Ｆ处卸载（图１），过Ｆ点作

弹性直线ＯＡ的平行线ＦＥ，交横轴于Ｅ，则ＯＥ一

（ ） 是Ｆ点对应的塑性位移，把试样沿裂纹侧面

用线切割对中剖开（如图１），磨成金相试样，在显微

镜下可看到如图２所示的图像。可直接测出 （卸

载后裂纹顶端张开位移），△ （裂纹扩展Ａａ后对应

的裂纹张开位移增量），Ａａ（裂纹扩展量）。

作者简介：白新房（１９８１－），男，硕士生； Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｘｔｆｂｘｆ（￣１２６．ｔｏｍ； 修订日期：２００４－１卜２３

图Ｉ 曲线

Ｆｉｇ．１ Ｐ－ ｃｕｒｖｅ

Ｆ

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物理测试 第２３卷

儡三

图２剖面金相示意图

Ｆｉｇ．２ Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｓｃｈｅｍｅ ａｔ ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ

由几何关系可导出开裂点Ｃ所对应的卸载位移

（ ） ，即：

（ 一［１一 ］［１一 ］（ ）

根据测出的△ ， ，（ ） ，△口就可以算出（ ） 。

在图１中作ＯＤ一（ ） ，定出Ｄ点，过Ｄ点作ＯＡ

平行线交Ｐ— 曲线于Ｃ点，Ｃ点就是开裂点。

电位电阻法 引：有裂纹试样在加载过程中，试样

两侧的电位或电阻一般会发生变化。在曲线上表现

出来的拐点就是裂纹开始扩展的起裂点。

多试样法口］：用一组（４～６个）相同的疲劳试样

使其ａ／Ｗ基本一样（如ａ／Ｗ＝０．６）。用这些试样做

出．，一△口曲线。过该曲线原点作钝化线的平行线，

即：

Ｊ一２ａｏ△口

平行线与曲线的交点就是裂纹开裂点。

其中： ￣Ｙｏ一÷（ 。＋ ）

０．８０Ｅｍ［。 处：Ｔ Ｋｏｂａｙａｓｈｉ在Ａ５３３钢的仪器化

夏比Ｖ型缺口试验中得到Ｅ／Ｅ ≈０．８。（其中，Ｅｉ

是起裂能，Ｅ 是最大载荷所对应的能量）可以用来

指导起裂点的确定。但他指出，对于不同性能的材

料，其Ｅ，／ 值是不同的。

（Ｐ ＋Ｐ ）／２Ｅ 处：对于铁素体钢的ＣＶＮ冲击

试样，赵钦新等人根据Ｇｈｏｎｅｉｍ和Ｈａｍｍａｄ的观

点，取（Ｐ ＋Ｐ ）／２处（平均载荷点）为起裂点。

通过获得的￡一ｔ曲线确定起裂时间（起裂

点）［５ ］：在试验过程中，通过在垂直于裂纹２ ｍｍ左

右处贴上应变片来获得￡一ｔ曲线，理论分析和断口观

察可得出曲线上突然变化的那一点即为起裂点。如

图３所示，实线３０～４Ｏ ｓ间曲线突然变化点就是

起裂时间，从而得出起裂点的位置。

小角度冲击在示波冲击试验中确定起裂点［７］：

姜风春等人根据Ａｎｇｅｌｉｎｊｏ和Ｆｏｓｓａｔｉ提出的小角度

冲击概念及Ｋｏｂａｙａｓｈｉ采用的小角度冲击法进行了

起裂点的确定。

通过建立Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ－Ａｃ／ｃ曲线来确定起裂点［８］：

Ｋ Ａｎｇａｍｕｔｈｕ等人基于弹塑性断裂力学理论，起裂点

可以用柔度变化率的方法来确定，即Ａｃ／ｃ＝（Ｃ—

Ｃ １）／ ｌ，建立时间和Ａｃ／ｃ曲线，由图４可以看出曲

线上斜率突然增加，对应的这个拐点就是起裂点。

综上所述，确定起裂点的方法很多，各有各的特

点。目前的看法尚未完全一致。在应用过程中，应

该根据试验条件以及材料的断裂特性具体分析。

颦

释

：、

昌

昌

０

×

图３

Ｆｉｇ．３

图４位移量－Ａｃ／ｃ曲线

Ｆｉｇ．４ Ｄｅｆｆｅｃｔｌｏｎ－Ａｃ／ｃ ｃｕｒｖｅ

１．２影响动态断裂韧性的因素

１．２．１加载速率

断裂韧性和加载速率有关，因不同材料的断裂

韧性对加载速率的敏感性不同，Ｋ。 随加载速率的变

化情况也不同。

图５为Ｎｉ—Ｃｒ钢的应力应变曲线［９］。图６为动

态断裂韧性与加载速率的关系口。。。可以看出加载

速率对材料有很大的影响。因此，在试验过程中，针

对所研究的材料进行不同加载速率下的断裂性能研

究是很必要的。

１．２．２温度

图７为１５ＭｎＶ钢在不同加载速率下的Ｋ 一ｔ曲

线 ｕ］。图８是船体钢和焊接区的Ｋｌｄ一￡［。 曲线。可

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第４期 白新房等：钢的动态断裂韧性及止裂韧性的研究现状 ３

图５ Ｎｉ－Ｃｒ钢应力一应变曲线

Ｆｉｇ．５ Ｓｔｒａｉｎ－ｓｔｒｅｓｓ ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｎｉ￣Ｃｒ ｓｔｅｅｌ

加载速￣Ｊ（ＭＰａ－ｍ ·ｓ １）

图６ 动态断裂韧性与加载速率的关系

Ｆｉｇ．６ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ

ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｒａｔｅ

暑

邑

、、ｂ

晕

邑

、、ｂ

图７ Ｋｌ —ｔ曲线

Ｆｉｇ．７ Ｋｌｄ—ｔ ｃｕｒｖｅ

图８ Ｋ旷Ｉ曲线

Ｆｉｇ．８ Ｋｗ—ｔ ｃｕｒｖｅ

以看出随温度的变化，材料性能伴随着韧一脆之间的

转变，对动态断裂参数有很大的影响。

综上所述，在动态断裂韧性的测试过程中，温

度、加载速率、组织状态和成分等因素对其动态断裂

韧性值影响极大。对于特定的材料，由于其组织状

态、成分已经确定，所以着重考虑的是其加载速率效

应和温度效应。

１．３仪器化夏比Ｖ形缺口摆锤试验的应用

进行动态断裂韧性测试Ｋ。ａ（Ｊ。 ）的测试设备

有：仪器化摆锤冲击设备、Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆（加载速

率达１０ ＭＰａ·ｍ 。／ｓ）和落锤等。而对于加载速率

在１０ ＭＰａ·ｍ“。／ｓ的情况下，普遍采用示波冲击

法进行断裂韧性分析。利用示波冲击可记录在冲击

下试样由开始到断裂过程中各部分的能量状态，对

进行动态分析非常有意义，是分析测试动态性能的

重要手段。目前，国内外力学科研工作者广泛采用

此方法来分析动态断裂韧性。

２ 止裂韧性测试的研究现状

描述钢中裂纹止裂有３种理论，分别对应３个

止裂韧性参数口引，即：

静态分析——止裂韧性理论

动态分析——裂纹扩展断裂韧性理论

动载／静态裂纹起裂韧性理论

对于后两种理论中的止裂韧性，测试比较复杂，

不能完全通过试验方法来获得，需要理论分析加试

验测量才能得到。因此，目前大多进行的是在静态／

准静态条件下的止裂韧性的研究。近几年国外学者

在这方面的研究较多。

Ｊ Ｒｏｂｅｒｔ等人『１。］对Ｅ１２２１止裂试验方法分析

得到以下几点：①试验中所用的试样尺寸大；②对

脆性焊接质量要求很高，在普通材料试验室中难以

得到保证；③用楔子循环加载耗时而且过程不易控

制；④由于一种或多种试验条件不能同时满足，导

致试验成功率低。因此，作者认为要获得更好的试

验结果有必要对Ｋ。 的测试方法进行改进，如减小

试样尺寸、减少脆性焊接金属和增大有效试验的可

能性。为此，作者设计了一种新型止裂试样，该试样

的外观及尺寸见图９。

通过改进试样及试验方法，作者得到了Ｋ 和

Ｋ 两组数据。

Ｂ Ｉ ＫｕｎｉｎＬｌ 等人采用如图１Ｏ的试样进行了止

裂试验，得到了满意的结果，并提出了一个新的断裂

参数。

＾ 昌蠢ｄｌ粤 ｛嗣

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４ 物理测试 第２３卷

槽教据

单位：ｍｍ

图９新型止裂试样示意图

Ｆｉｇ．９ Ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｃｒａｃｋ ａｒｒｅｓｔ ｓａｍｐｌｅ

ｌ

固：

～．

图ｌＯ双向拉伸止裂试样示意图

Ｆｉｇ．１０ Ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｃｒａｃｋ ａｒｒｅｓｔ ｓａｍｐｌｅ ｗｉｔｈ

ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｔｅｎｓｉｏｎ

Ａ Ｈ Ｐｒｉｅｓｔ［１朝等人在双向拉伸裂纹止裂试验中

利用能量平衡理论对止裂韧度值进行了计算，得出

结论：在止裂过程中能量的释放率可由下式计算得

到：

Ｇ。一 ｝／Ｅ［１／（７ｃｎ）＋ｎ／（ＷＬ）］

其中，Ｏ＂１为起裂应力；ｎ为裂纹长度；Ｌ为有效长度；

为试样宽度；Ｅ为材料的弹性模量。

并指出该理论是以止裂处预测应力 为前提而

成立的，即：

０＂２一 １｛１—２／Ｅ１＋ＬＷ／（７ｃｎ ）］｝

Ａ Ｈ Ｐｒｉｅｓｔ指出，在以往的止裂试验中，没有考

虑厚度的影响。而试样的有效长度与厚度是线性相

关的，减小厚度会导致裂纹起始驱动力的降低，它与

减小有效长度的效果是一样的。止裂裂纹尺寸可由

下式计算得到：

ｎ一１／｛丌［ ／∑（Ｕ／Ａ） Ｅ一１／（Ｌ ］｝

上述研究结果均属于国外近年的研究结果，国

内有关止裂方面研究的文献较少。

目前，国内外广泛进行的是静态Ｋ 。的测量。

其具体方法如下：该标准采用ＣＣＡ试验方法 ］。

ＣＣＡ试样形状和尺寸参照标准为：用楔子加载机构

对试样加载。裂纹起裂通过在试样槽口底部堆焊的

脆性材料上开缺口获得。试验过程记录载荷（Ｐ）和

张开位移（ ）曲线。止裂值Ｋ 通过缺口张开位移

和止裂裂纹长度ａ。按下式计算：

Ｋ 一ＥＳｆ（ｘ） Ｂ｝Ｂ ｆ Ｗ

ｆｆ 、一兰： ：！ 二 ： ± ！ 二兰

… ９

８５—０．１７ｘ＂４－１ｌｘ

国内这方面的文献有杨才福等ｍ 的关于３．５

Ｎｉ低温钢裂纹止裂性能研究；高怡斐等Ⅲ的关于

５５０ ＭＰａ级铜时效易焊接钢工程服役条件下的动

态断裂力学行为表征等。

３有限元分析

目前，有限元分析已经应用于动态断裂韧性分

析和止裂韧性分析中，可以对加载条件下的试样进

行有限元模拟，确定其各部分、加载各个阶段的应力

状态，从中可以分析出断裂韧度和止裂韧度，进而可

以评定试验所得数据的有效性和准确性。如ｗ Ｇ

Ｇｕｏ等人［５］经有限元分析得出４０Ｃｒ钢的动态断裂

韧度为４０．８７ ＭＰａ·１ＴＩ“ ，通过试验方法得到的动

态断裂韧度为３８．１０ ＭＰａ·１＇１１“ ，具有良好的统一

性。作者认为，理论分析和试验结果存在小的偏差

是由于理论分析过程中的一些近似、试验的不确定

度及数字计算过程中的误差造成的。Ｊ Ｒｏｂｅｒｔ等

人口。 用试验方法和有限元模拟法得到的结果也具

有良好的统一性。

４ 结 语

目前对Ｋ，ｄ的研究主要集中在加载速率与温度

以及起裂点确定的问题上。对于起裂点的确定目前

仍无统一的看法。但在具体材料的研究过程中还没

有对同种材料同时进行在静态、准静态、高速、超高

速状态下的Ｋ·值进行测试对比，所以无法知道同

种材料在不同加载速率状态下的相关性。而这种相

关性的建立有助于对材料不同加载速率断裂韧性的

预测。

国内外对于止裂韧性的研究主要集中在试验方

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第４期 白新房等：钢的动态断裂韧性及止裂韧性的研究现状 ５

法的改进和相关的一些理论研究上，但这些研究基

本都集中在静态一准静态Ｋ 研究方面。对于动态加

载条件下的Ｋ 由于难以测量，研究中没有较大突

破。目前，仪器化示波冲击在动态断裂韧性测试中

的应用给分析该条件下的Ｋ。。提供了可能性，目前

关于这方面的工作还没有文献报道。关于示波冲击

中Ｋ 如何分析，需要怎样的分析手段，还需进一步

思考。

有限元分析技术的应用可以验证试验所得结果

的有效性，在此基础上，有可能应用有限元分析技术

来预测试验结果，这将具有十分重要的意义。

参考文献：

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