超高强度钢平面应变断裂韧度测试

王 凯，高文英

（海军装备部，陕西 西安710043）



超高强度钢平面应变断裂韧度测试

王 凯，高文英

（海军装备部，陕西 西安710043）

摘要：从试样设计、预制疲劳裂纹、KIC测试及数据等方面系统供的介绍断裂韧度SENB测试方法，并结合试验经验，总结出最佳的试验参数范围。

关键词：断裂韧度；试样；裂纹；KIC测试

断裂韧度是材料的固有性能，是在一定边界条件下材料阻止裂纹扩展的韧度指标。在一定的测试条件下，材料的断裂韧度是一个常数。对于超超强度钢，其断裂韧度测试通常采用SENB方法，方法如图1所示，KIC（材料的断裂韧度）的计算公式如式（1）所示。

图1　SENB方法测试断裂韧度示意图

式中，F为试样断裂载荷，B、W分别为试样厚度和试样宽度，S为试验时两支点跨距，a为试样裂纹长度，f1（a/W）为试样的形状系数，与裂纹长度和试样尺寸有关，当测试结果满足断裂韧度测试的有效性判定时，KIQ即为材料的KIC.

本文将从试样设计、预制疲劳裂纹、KIC测试及数据等方面系统供的介绍断裂韧度SENB测试方法。

1　断裂韧度试样设计

1.1断裂韧度试样尺寸设计

断裂韧度测试中试样的厚度强烈影响裂纹前端的应力约束，当试样厚度较小时，试样裂纹尖端处于平面应力状态，随着试样厚度的增加，平面应力状态逐渐向平面应变状态过渡，在试样超过一定厚度时，材料将完全处于平面应变状态[1、2]。因此试样厚度是影响平面应变断裂韧度测试结果有效性的重要参数之一[3]。

根据Misces屈服准则，在平面应变控制状态下裂纹尖端附近屈服区边界的曲线方程为：

试样宽度W，一般均选择W=2B.

进行断裂韧度试样选择时，可根据相关材料特性，预估材料的断裂韧度进行计算，以计算的最大厚度确定为试样的最小厚度。以D406A为例，材料的屈服强度σs按照标准中的最低要求1 320 MPa，预估断裂韧度KIC为80～100 MPa，计算出其最小试样厚度为9.2～14.3 mm，因此其最小试样厚度大于15 mm，以确保试验结果的有效性。

1.2断裂韧度初始裂纹源尺寸设计

试样初始裂纹源a0是影响整个断裂韧度测试过程的重要参数之一，其尺寸选择与试样尺寸、预制裂纹过程中的裂纹扩展量Δa有关。

断裂测试最终裂纹长度a（a0+Δa）必须满足以下条件，测试结果才能有效。

在初始裂纹源设计时，设计尺寸过小，可能导致试验周期较长，试验成本高，尺寸过大，则试验过程难以控制，容易导致试验结果无效，因此设计时一般以裂纹扩展量Δa为依据，选择裂纹扩展量Δa为2.5 ～3 mm，以最佳裂纹长度（a=0.5W）减去Δa即为初始裂纹源的最佳尺寸。

2　预制疲劳裂纹

预制疲劳裂纹的方式很多，有可视法、柔度法等。可视法是指在预制过程中，不断测量预制疲劳裂纹的扩展量，直至设定的裂纹尺寸；测试过程中往往需要反复加载或需要在测试设备上安装精度较高的测量装置，使试验变得复杂，因此，除有特殊要求，一般不采用可视法。柔度法是根据含裂纹的试样与其无量纲的柔度（其中Δ为加载点的位移）与无量纲裂纹长度a/W之间存在着确定的函数关系，通过引伸计的张开位移确定裂纹的预制程度，该方法目前比较常用。柔度法的控制方式主要有恒载法和降载法（载荷控制）、恒K法、变K法和降K法（应力强度因子控制）等。无论采用何种方式，均必须满足标准的两大规定：

（1）预制疲劳裂纹初始2.5%阶段时最大应力强度因子Kfmax不超过试验确定的条件值KIQ的80%；

（2）预制疲劳预裂纹的最后2.5%阶段最大应力强度因子Kfmax不应超过条件值KIQ的60%.

2.1载荷控制法

恒载法顾名思义即在预制疲劳裂纹过程中加载疲劳载荷ΔK始终保持一致。降载法是疲劳裂纹预制过程中，可根据裂纹扩展量逐级调整疲劳加载载荷，但每次载荷降低不得超过20%，此方法可保证疲劳裂纹扩展最后阶段的应力强度因子处于较低状态。

采用载荷法进行疲劳裂纹预制时，所施加的疲劳载荷必须严格控制，其最大疲劳载荷的计算方法如下所示：

可以看出，只要确定试验时的最大应力强度因子Kfmax，即可确定加载的最大疲劳载荷。值得一提的是采用恒载法预制疲劳裂纹时，裂纹扩展过程中，随着裂纹扩展量的不断增加，其应力强度因子也是不断增加的，如图2所示，大量的试验表明，恒载法裂纹扩展过程中应力强度因子呈指数增加，因此载荷需在计算值的基础上进一步减小才能保证预制裂纹过程有效。但加载载荷并非越小越好，由疲劳裂纹扩展速率da/dN理论可知，仅当疲劳裂纹扩展速率介于10-6～10-3mm/次时，疲劳裂纹才会稳定扩展，小于10-7mm/次，裂纹不扩展，超过10-3mm/次时，会出现失稳扩展。因此疲劳载荷不宜过大，也不宜过小，从试验经验来看，选择Fmax的40%～50%进行可获得理想的预制效果。

图2　恒载法中试验过程各项参数变化变化规律

采用逐级降载法除对加载载荷有要求外，逐级降载次数不宜过多，一般不超过3次。图3为降载法预制疲劳裂纹过程曲线，在预制裂纹的最后25%阶段，载荷降低20%，相应的裂纹扩展过程中应力强度因子降低，裂纹扩展速率减小。另外如试验机不具备自动降载的能力，则不建议使用降载法，因为试样装夹过程中，裂纹会出现闭合效应，重新装夹，裂纹扩展需要重新吸收能量，可能会测试结果造成偏差。

图3　降载法中试验过程各项参数变化规律

2.2应力强度因子控制法

应力强度因子控制法（ΔK控制）是指直接设定预制裂纹过程中应力强度因子的范围来进行疲劳裂纹预制，如试验过程中，指定交变载荷中最小循环应力和最大循环应力之比R（R不大于0.1），即可根据式（7）和式（8），计算试验过程中的最大应力强度因子Kfmax.

最终试验过程中的应力强度因子也可按照40% ～50%Kfmax进行选择，如406A超高强度钢，以条件值KIQ为80 MPa·为估算值，选择试验过程最大Kfmax为KIQ的60%即48 MPa·，试验时Kmax达到48 MPa·的40%～50%即可。

应力强度因子法的优点是选择参数只需考虑材料的特性，而不受到试样尺寸的限制，计算量小。图4为恒K法预制疲劳裂纹的各项参数变化规律。同时也采用变K法和降K法进行疲劳裂纹预制，变K法的方法与降载法基本一致，降K法指在整个预制疲劳裂纹裂纹，裂纹每扩展一定尺寸，其应力强度因子以特定的速率不断减小，采用降K法进行疲劳裂纹预制，裂纹扩展尺寸精度和形状均较好，精细试验时可采用此方法。

图4　恒K法中试验过程各项参数变化规律

3　KIC测试及试验结果处理

3.1KIC测试

KIC测试时加载速率对材料断裂韧度影响较大，一般认为：断裂韧度加载速率增加一个数量级，其断裂韧度降低10%[4]，因此合理控制断裂韧度加载速率不仅是测试结果有效性的判据，同时也是获得较好试验数据的关键。KIC测试过程可采用位移法和载荷法两类，确保试验过程中应力强度因子增加的速率在0.5～3.0 MPa·/s范围内即可保证试验结果的有效性。

3.2试验结果处理

KIC测试结束，在工具显微镜上分别测量试样边缘及1/4B，1/2B，3/4B处的裂纹，其中，5点裂纹尺寸分别按照疲劳裂纹扩展有效性条件进行有效性判定，1/4B，1/2B，3/4B处裂纹的平均值记为试样裂纹最终长度a，并按照式（1）进行结果计算，计算结果按式（9）～式（11）进行有效性判定，通过判定，测定的条件断裂韧度值KIQ为材料的断裂韧度KIC，否则试验无效。

4　讨论与分析

断裂韧度测试结果受多种因素限制，比如试验机等级，试样尺寸测量、裂纹的尺寸测量、引伸计精度甚至不同的实验人员都有可能造成测试结果偏差，因此试验时除了严格遵循试验方法，细小操作意外，尽可能使同批次材料试样件均在同一种试验方法下完成，以保证测试结果具有可对比性。

参考文献：

[1]杨继运，张行.材料断裂韧度与试样厚度的关系研究[J].机械强度，2003，25（1）:76-80.

[2]何宇廷，傅祥炯，陈瑞峰.材料断裂韧度测试中的厚度效应[J].机械科学与技术，1997，16（5）:856-860.

[3]师俊平，赵蕾，汤安民.平面应变断裂韧度测试的有效性研究[J].应用力学学报，2009，26（5）:432-436.

[4]Kumar R R，Jana M K，Rag G V，et al.Accurate evaluation of strain-energy release rate in FEP compact-tension specimen toughness[J].Engineering Fracture Mechanics，1997，58（3）: 163-172.

中图分类号：TG115

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）04-0026-04

收稿日期：2016-01-30

作者简介：王凯（1979-），男，硕士，工程师，主要从事武器装备研究；高文英（1980-），男，硕士，工程师，主要从事武器装备研究。

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