（工程力学专业论文）应变率相关弹塑性材料动态断裂韧性的试验研究.pdf

安撤理1 = 犬学硕士论文 薹 摘要 作为断裂动力。学中最基本的分支之一，弹塑性材睾喜动态断裂韧度的衷征和测试是特别 有挑战性的苗船课题但由于试验装簧及测试技术的限制，加匕试验装翟与试件的动态耦 合作用，徽一问题进屣缓陵从t 世 酞十年代歼始，至今未能得至懈决，仍然是令 后研究舫向而材料的断裂纫睦往往与加载速率有关，加载速率的变化还可能造成裂纹 扩展机理的转化因此存瞟深入研究加载速率对高强韧断裂韧性的影响。目d 玑国内外 对高加载速率下撇率相关弹塑性材料动态断裂韧性的试验与研究仍皎为匮乏，相对于 应变率相关材料的应用普及酸而言，研究嘲颏醵e 对缺口试样断裂行为的影响，对于动 载结构的安全设计及提高材料抵抗动态断裂的能力具有重要的理论和工程意义 本文秘用旋转盘式间接杆杆型冲击 立伸装置，对带周边切口的短圆柱小试件( 4 5 锕n 莲行 了室温下的平面直翅幽筠驸动态断琴g 试验用试件两端的平均载荷植对位移曲线 ( p 一万蚓硪e 广r i c b 公式确定动态，积分，采用柔度变化率法来确定起裂点，认而获得表征 弹塑性材料动态起裂靓度，d 、动态断裂韧性足。，并得出一系列相关参量。通过四组高加 载速率下的冲击j 立f 僦表明，作为典型的应变率相关弹塑性阱4 的4 5 钢，其断翻毋性随 加载速率的增加而下降，探讨高加载速率下材料的位移、载荷等参数的变化规律。同时。 通过扫描电镜对动态拉伸断口和动态断裂裂口进行了微观分析，研究了动态条件下金属的 断裂机理。 关键词：应变率，动态断裂韧性，加载速率，卜! - ，积分t ，微观机理 安徽理r 大学颈十论文 a b s t r a c t a st h eb a s i cb 口n c l io f t h ed ) n a m i cf i a c t u mt h e o 吼t h es t u d yo i at h ec h a r a c t c n z 面o na n d “豫a s 峨 m e u , , o do f u 1 ed y m m c 缸臁t o u g h n e s so f e l a s d c - p l a s 出n m m r i a l si sv e i yd l a i l 朗g i l l 孚y e t , d u et o t h e 把s n o fo 中吲面瓤囱li n s m a m 惦a n dm 朗瓣t e c h n o l o g y , a n d 幢叩k f 培e f f e c to f 如啦懈虹a n d 印帆t i e 鲫d yp m g 喽s e s , d o w l y t 髓躲s t i l lm a n yp b l e m s 吣o v l e d 妇1 8 6 0 s , o a m 砌y , t h e 蛐伽由任哪i i c 危咖t o u g h n e s so f d 笛融巾i 疵m a t e r i a l sm x l - r h i g h l o a d i n gr a t e s i s s e l d o m s i i l n 甩睁d 印a d 目吐m 龇e r i 融i s u s e d w i d e l y , i t i s 鹏踟幻s t u d y t h ei n f l u e r 髓o f l o a d i n gr a t e so nd t 丘z 咖t o u g h n e s so f n l em 锄耐a 1 i 【i so f g r c 缸b e n e f i tt ot h e d c s i 即o f p i 吼啊面1 9 由l 诚在蜀脓a n d 爨e 笛辩s s i n g a t e s t f o r d y n a m i c p 槭c r a c k i n i 6 a t i o n i s a 船由d o i 吐o i i a b a r - l x u t e n s i l e i m p a c t a p p a r a t u s b y 嘲s h o na n dc o l m n n e x ls p e m z r , sw 曲面强m 慢删a ln o t c h e so f4 5s t e e l a tr o o m 蛔咖葶嘣睡e d y m m i c j - i n 唰i s c a l c u l a t e d b y e x t e n d i n g t h e j - i n t e g r a l f o r m u l a o f r i c e a n d u s i n g 缸l o a d _ d 两丑a m 哑啪0 1 1 蚝删p l a n e t h el i m eo f c r a c ki n k i m i o ni sd e t m n i n e db yt h e c o m p l i a n c ec h a n g 吨m e d m da n dc o 穗- p o n d m gd y n 日1 m l cc r a c ki n i 6 a f i o n 均嘎憾j i s o l x a i m d t h em m h ss h a wt h a tl h cd y i l a m i cf r a c t t u t o u g h n e s so f 4 5 s t e e li sr e d u c e dw h i l e 阳i 血l g t h el o a d i n gr a t e t h ed y m m i c a r e s s - s a a i nb e h a v i o r st m d e rd i f e r e n ts t r a i nr a t e sa n dd y l 坷l l i cf r a c t u r e b d 谢o r s t r a d e r d i f e m a t l o a d i n g r a e s a x e o b t a i n e d i n o t c l e r t o r e s e a r c h u s e m e c h a n i m a o f d y m m i e f r a c t t 琨幢f r a c t u r e ds u r f a c eo fd y n a m i cl l e l l s i l ea n dd y r a l l l l i c f r a c u a ei si n v e s t i g a t e db y 酬y s i sa x l r a q k e y w o r d s ：s t 画h 髓嗡d ”蛐：l i c 最咖e t 阻谤m e s s i 刎i i 】g 删髂j 缸c e l 驴蚺缸：【h 哺d 】a i 】i 锄 【l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞缝理王太鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材科与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名： 魄毋月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀垄王太堂有保留，使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于立 筮垄王太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权安徽理工大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印- 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 文作槲勿吣钏碲6 月7 日 椭各响蝴瓤矿刖7 日 安徽理j ：大学硕士论文成生牢褶关井塑性材料动态断袈纫t 宅的试验研究 1 1断裂力学的发展概述 1 绪论 随着社会工业化程度的只渐提高，科学技术与工程结构设计的不断发展。对结错 科 的强度和应力水平提出了更高的要求如何确保这些结构能够安全使用，舫止工程构件及 材料的断裂，正是断裂力学所要研究的主要内容 工程背景结构设计经历了系列阶段的发展历史，直至十九世纪，应力和应变溉念的 发展及其在数学弹性理论中相互关系的研究，才使定量设计的方法成为可能n 而后很长 段时间以来，依据材料力学的方法应用材料嬲论，并引入安全系数进行强度设计 人们按照传统的强度设计成功地设计了许多工程结构，但仍然出现了不少的脆断事故。这 是因为传统的强度理论是以材料为均匀连续的假设为基础的，从而忽视了结构在制造过程 中不可避免地出现的各种内部缺陷，以致在工程设计中主要以强度为依据，片面追求材科 的高强度。个多世纪以来，因工程构件的突然断裂而造成的巨大灾难屡见不女p 。1 9 8 2 年，美国国家标准居瓤n b s ) 进行的一次有关由所有断裂事故直接或间接地对美国经济造成 的损失研究表明，由于断裂事故直接或间接地对美国经济造成的损失大约1 2 0 0 亿美元p 1 9 9 4 年l o 月，韩国汉城圣水桥的突然坍塌及俄罗斯翰油管道的突然破裂，造成了数十亿 美元的损失和四十= 死亡断裂事故的频繁出现使得 、们开始对其原因和影响因素进行 分析，造成了对原有设计思想的冲击。工程技术迫切需要新的设计方法和断裂笋幡，韧性 设计的思想予以提出同时。为了探讨在远低于计算强度的低应力下工程材料发生脆性断 裂的原因，并控制和防止结构的断裂破坏，产生了旨在“安全设计”的断裂力学。这就对 对于正确利用材料，合理进行结构设计和有效的进行安全评定，预防脆性断裂事故的发生， 提供了重要的理论依据和实验方法。 断裂力学是研究含有缺陷的结构和材料力学行为的科学。它主要研究在_ 定外载条件 下的裂纹起裂、失稳扩展及止裂特性。按加载速率和裂纹扩展速度的不同，断裂力学可以 分为断裂静力学和断裂动力学 4 】。断裂静力学主要研究在准静态载荷下裂纹起始问题，同 时也包括韧性材料中裂纹低速扩展问题，可以忽略i 式，件中惯性效应的影响。对于断裂静力 学，裂纹的起裂准则首先有g r i 伍“目提出，并引进了表面张力的概念，称为g 跹胁能量释 放率准则。自i r w i n 日( 1 9 5 7 年圬f 入应力强度因子和能量释放率的概念后，临界应力强度因 子亦称断裂留嚷威为线弹性断裂力等缸蕊研究的基础。1 9 5 9 年，b a 颤i b i 耐硼引入了裂 安破理工夫学硕士论文 应变串相关弹亚性材辩动态断袈韧性的试验研究 纹边界附近渐近场的概念使得稠弹性力学方法分析线弹性断裂力学成为可能。1 9 6 8 年 h t 曲c l l i i 髓一r i c e 与黜诞“i q 发表了著名的h r r 奇异解，标志若弹塑性断裂静力学理 论的建立。随着线弹性断裂力学研究的r 趋成宴 ，非线性断裂力学越柬越受到人们的重视 融o c l ”咛l 入一种与路径无关的积分一j 积分的概念，使得弹塑性断裂静力学也得到了很 大的发展随后大量的数值分折与实验证实了在裂纹尖端确实存在着j - 积分主导区，因而 ，积分就成为决定裂纹起裂的参数进步研字蹴岌现在_ 1 定条件下裂织咿侵仍然受 ， 积分控制；随着，积分的应用，弹塑f 生断裂静力学获得了很大的发展 目前对材科断觥的潲式与评定，大多数都是在准静态加载条件下迸行的，而且由 于动态断裂问题的复杂性，关于材科的动态断裂问题贝帅捷研究得还很不够，现在还没有 统_ 的动态断裂韧性澳4 i j 嘞硼乔i 方法然而许多工程结构如起重运输机械、海洋平台、桥 梁、船体、航空航天 殳各等，大多数都是在动载条 虾服役同时大量事实证明，工程结 构中由于动载荷的作用而破坏的几率远远高于静载荷即构件在动载下更容易发生脆性断 裂结构的动态断裂性能与静态断裂性能存皎= 赶差别，剖门的断裂破坏往往与动态载荷条 件密切相关。材料抵抗裂纹起裂与扩展能力的速率效应因材质而异，般在动载条件下工 作的构件，发生瞻性断裂的危险性增大。这是因为动态载荷在其幅值与静态载荷值相同的 情形下，在固体中引起的位移与应力比相应的静载荷引起的要大。自然地，动态匣力强度 因子僮( 确切地说是箕晤街要比相应的睁态应力强度因子值大。因而裂纹得到了更大的驱 动力，因而比静态加载更容易断裂。所以随着工程结构用钢强度级别的提商及结构使用过 程中的低温、动载等恶劣条件和制造过程中出现的各种缺陷等。使得对这种结构建立在静 态断裂韧性参数下的 殳计具有较大的危险性，并且采用静态断裂韧性指标也难于估计工作 结构的可靠性。因此研究材料在冲击载荷作用下裂纹的动态起裂及裂纹运动扩展的动态断 裂行为不仅具有重要的理论意义，对材料的推广应用和安全使用也具有重要的工程实际意 义。 与准静态断裂问题相比，动态断裂问题无论在理论e 和实验上都困难得多。由于材料 的惯性，载荷是以应力波的形式传播的丽裂纹扩展造成了新的自由面，其扰动也以应力 波形式传播，应力波与裂纹的相互作用使问题大大复杂化。在数学上，扩展裂纹是们垂 动边界问题，这种未知的运动边：秀使问题变得高度非线性。裂纹尖端附近的高应变梯度， 载荷的应力波形式以及裂纹的快速扩展，也使得裂纹尖端瞬态力学状态的实验澳8 量变得困 难这些原因t 使得研究动态裂纹技术中的动态断裂效应变得非常复杂。裂纹尖端附近的 高应变梯度和裂纹的快速扩展也使得裂纹尖端区域瞬态力学状态的实验测试变得异常困 难另外，动态断裂试验还必须考虑试，绰和试验装置的耦合问题，即材料的动态断裂行为 2 安徽理j = 人学硕士论文 应生宰相关井型性材辩动寿断裂铆性的试验研究 与试验系统的 禺台问题。这就给材科自晴b 念断裂韧度及裂纹扩展阻力特性的表征与狲试带 来了很大的困难，使得弹塑性动态断裂理论至今尚未完全建立起来。目前对弹塑性动念裂 纹尖端表征方法的研究_ 殷采用下面两种方法一种是把弹塑性断裂静力学概念，表征参 量攉广到动态情形，另种是致力于寻找各种弹塑性裂纹尖端渐近场的解去探索渐近场 的结构，以期发现某些新的控韦惨星1 9 4 8 年m 甜。z l 首次对材科动态断裂行为的研究概 况做出了定量分析，通过量纲分析法确定了在无限大体中以静态方式移动裂纹的动能1 9 5 1 年y o f f c i 瑰出了裂纹的动力学问题解。将惯性力加入运动方程，着重研究了扩展中的裂 纹| i ：糊场随后，d i l i 睁b 国毋i 和b 目r 卢5 嚏用了r o b e , s 和w d l s 【旧l 持裂纹极限速 度导出了裂纹扩展历程的方程而后b 州1 7 l 改进了y o 髓的解，考虑了个均匀扩展的 裂纹，结果表明裂纹极限扩展速度实际上是c l 潮1 d 宅； l 波速。a l v i n 和b l 试耐研考虑了 动态裂纹扩展流入尖端的能量，为动态断裂力学引入了回路积分的概念1 9 7 2 年至1 9 7 4 年f 加遥1 黾出了无限大体内无约束裂纹的扩展规律，与n i l s 嘲_ 起描述了在边界反射 影响可比删咐弹性动恭黪妨碾的规律f 舭l d 剀( 1 9 卿，虞吉新羽( 1 9 叻、饶世国囹 0 9 9 2 ) 、b r o ；b 口g 刚( 1 9 9 9 ) 删1 ( 2 0 0 1 ) 等对i i 铘龇动态断裂力学的研究历史与发 展作了较为全面的回顾、概括与补充。在众多学者的共同努力下，弹塑性动态断裂力学的 研究取得了不少成果，但至今尚未取得根本性突破，在现今和未来相当长的一段时间内仍 然是个极富挑战性的课题。 特别是由于材料的断裂韧性往往与加载速率有关，加载速率的变化还可能造威裂纹扩 展机理的# 专化因l 比觑崛深入研究加载速率对高强韧断裂韧性的影响，为应力断料设备 的设计提供理论依据。尤其是钢材，对加载速率的敏感性很大，在静载下设计安全的构件， 在动载下达不到设计寿命而出现早期破坏，甚至根本无法工作。因此，研究不同加载速度 下材科的断裂机理、断爨l 力学参数及断裂模型，建立动态断裂判据成为科学、工程发展的 迫切需要，也使动态断裂力学这门学科有了长足的发展。而且断裂力学的研究主要集中在 裂纹试样上，对予缺口试样的动态断裂行为研究的较少，在工程结构中不可避免地出现缺 口或类似缺口的缺陷，有些镞至是人为设计的，并承受动载荷。因此研究加载速度对缺口 试样断裂行为的影响，对于动载结构的安全设计及提高材料抵抗动态断裂的能力具有重要 的理论和工程意义。 1 2 动态断裂研究中的几个基本问题 六十年代以来，工程断裂力学的建立和发展，依据裂纹尖端应力应变场特征参数k 、 3 安徽理工大学项士论文戌变书柙关井型性材抖动态断裂韧性的试验研究 g 、j 、c o d 等的临界值作为断裂韧性判据参数成功地解决了传统的强度设计理论所不 能解释的工程结构低应力脆断问题，这对于正确稠材科合理进行结构设计椭效地进 行安全评定预舫脆性断裂事故的发生，提供了重要的理论依据和实验方法 金属的动态断裂韧性( 动态起裂韧性) 为裂纹体在动载作用下t 动态应力强度因子的极 限值。是种材料常数，也是材料的韧性参数 1 2 2 加载速率和应变率 动态断裂试验有很多试验装置，不同的装置，其试验方法和加载速率是不同的。 l ( 1 印笛d 舻定义动态断裂试验的加载速率为： 如：孕 ( 1 ) r 其中k 。为材料的动态起裂韧度，为加载开始到断裂的起始时间显然，如的单 m p a m v 2 s 一 作为表征材料变形快慢的度量的应变速率舌和加载速率如两个概念的使用区别在 于，1 i 旬者常用于分析金属的应力一应! 断为，而在动态断裂问题研究中，往往采用力载速 率的既瓮寨表征记载快慢 1 2 3 静态、准一静态和动态的定义 可以根据加载速率如，徽下划分册： ( a ) 倔喃速率：0 霞m 1 0 3 m p a m 吩，此时可看蝴态加载； 中加载速率：1 0 3 j 1 0 6 m p a m v 2 5 一，此时除必须考虑惯性觌渺 还必须更深，增虑 应力波与裂纹的相互作用。 同样，对应应变率，有网： ( a ) 当毒 1 0 。s 。时，属于静态范围，不考虑惯性力的影响； 当1 0 - 5 s “ 舌 1 0 。3 s “时，已经进入材料的应变率敏感区域，般应变率不能忽略，此时所研 究的问题称为动态问题。 安徽理【火等 硕七论文成交半相关井型t 宅| f 辩动态断袈韧性的试验研究 1 2 4 动态断裂判据 冲击载荷作用下裂纹动态断裂；e l 脶主要有以下几种闭： ( a ) 动态应力强度因子判据； 他动态j 积蝴： ( c ) 最小作用量( 1 嗽a c i i o f 劳b 据： 极d 作用时问( m i n i m 啪血蝴等等。 ( a ) ， 是从静态断裂力学类而来的，也可进步证明上述的最小作用量剡据实质t 属 l ： 于h 、i 嘶应力强度因子型笋魄。 、 d 裂纹动态起裂韧陛k d 或j d ) 的表征和测试技术 1 3 1 常用的冲击试验装置和测试方法 ( 1 ) 电咧司服万能姊抖试验f 一 电液伺服万能材料试验机所需的载荷是由液压传动系统产生的。其主要优点在于，液 压传动机构组成叫咽蛇e 系统，在中等速度下，可直接进行闭环回路控制，由载荷、应变 或十字头位移传感器得到反馈控制信号。在1 0 。s 。 毒 1 0 1 s “范围内，其机械和液压系 统提供了足够的丹度，避免共振。 圆摆蹭中商鹉佥机 夏比冲击试验是最早在摆锤冲击试验机e 实现的，也是最容易获得材料动态性能参数 的试验。由于其试验条件简单，能够较敏锐的反映材料的断裂性质、韧脆倾向、韧脆转化 温度，并且可与断裂韧性、l e 裂劫雌建立直接的、简单的关系，因而在现在的些工程、 产品的设计中仍得以采用。硒曲删刚对夏比冲击 式验的力学分析、载荷变形曲线的分 析和试验装置的改进等方面都做了大量工作，并采用夏比冲击试佯在般的示波；中击试验 机e 建立了套测定材料动态j 积分的方法。 摆锤冲击试验机靠摆锤的冲击实现动态加载，锤头的冲击速度般在4 - - 6f 毗之间， 毒s1 0 3 j 一这种试验机可通过记录冲击过程的载荷一时间或载荷位移曲线来计算动态 断裂轫性，也可由能彰去( 锤头在撞击试洋前后总势能的变化得到试样的断裂能鸯r 来计算。 该装置也有其固有的缺点和不足。首先，测得的载荷稳定性差，在确定载荷时经常会 茎墼堡三盔竺堡主堡苎 堕茎! 塑苎苎竺堡塑量望查堕墼望堡箜兰竺! 壅 引起较大误差或失；中“此外，材料的动念断裂切性计算采用准静态理论但j f i ( a l 岫丘圈 等稠动态焦翘彩喇：对这吐秘莲行了完整的动态测量，发删势豳 念公式| 嘴嫩荷换 成动载荷来得到k ( 唧 ，d ，其结果并不可靠 0 庵镝式验机 为了融构钢魄戡铡撕特征，早在1 9 5 2 年美国海军研究所就稠落锤i 式验方i 去确 定钢的n d t i 温度并逐步开发了落 垂i 式验机该方法1 9 6 2 年被美国海军作为个标准 方法科a v s 玎p ! 2 悯3 在军内采用：1 9 6 3 年被美国材料试验学会( a 渤定为暂行试验 方法，1 9 6 9 年成为正式标淮( a s l m 0 8 6 9 ) 。该方法作为a s i m e 2 0 8 标准后到目前己 1 寥订过几次，仍没有髟弋变只是原试洋厚度不，j 、于1 2 m m ，改为l 白姗。我国橱滩觌 定了冲锤落差不小于h n 考虑到影响n d i t 的复杂性，强调其精度是没有意义的，并且 n 阱对特定的材料没有公认的标准笸，也就没有准确度可言目前，落锤试验机仍在该 领均冕广泛使用，但将其用于动态断裂铡牺腕的并不多。 落锤试验机的冲击速度取决于锤头落下的高度，一般为5 - 1 5 m s ，应变速率 1 0 2 s - 舌l 矿一测试动态断裂韧性j r ( ，d 的实验装置基于不同的加载率和实验方法有多 种，但常用的是在落锤式或摆锤式三点弯曲冲击装置b 蕴行。 雨鼢精献验刚联咦缝诚睑机的龇，在摆锤锤；址安睫精密传感器，并用计算 蝴自动彩黢魄，僦锤锤头的力及位移蝴记录再寨的新型动态獭验机。 它拥有强大的数据处理分析功能，国际上最新型的示波冲击试验机虽然可以克服摆锤试验 柳测试的些缺点，但加载速率有限。 1 3 2s h p b 和s h t b 试验技术及其改良与发展 由于倒黝喃教术锄口载率较坻，近年来分离静 0 p k 删压扦( s 肼；) 和拯阡 ( s h t b ) i m 载技术得以发展。匕世纪7 0 年代以来，研究者们利用s i 诤b 羽佥装置和s 玎) b 的一 维试验原理在材料的动态断裂韧度的表征与澳怖妨嚆f 故了大量的工作。该加载技术现己广 潮于高应变搴霄刚书舰滩能参数测定1 9 6 0 年，旺d 啦惭峋锄了基于椎简单 波动理论的圆筒落锤式块杆型冲击拉悼试验嶷置。这比既懒成熟的s ) b 技术问世要晚 十多年，主要是因为有两个困难：第、试件的设计及其联接，第二、产生理想的拉伸加 载脉冲。多年来，人们一直试图克服这两大困难来研制冲击拉伸试验装型刚。由于陆，d l d r l 湖l 杆加载技术具有结构简单，操作方便并目钡! | 式结果可靠等优点，所以人们把目光一直放在 蚴p k 蟠杆装置实现冲击拉伸及其装置改进上。在i 比仅就冲击拉伸m ) 技术，迸 于简 单介绍口司。 1 9 7 7 年，l s c o s f i n 孤列等基于s h p b 技术，用爆炸的方法直接对带有周边切口 6 窒墼堡三查堂堡堡塞 丝壅! 塑篓竺兰垒丝璺苎查堕篓塑丝箜兰竺! 壅 的长柿群隧行i 申矗粥r f 申加载( 如图i 所示) 通过测量切口两边的入射波、劂獭般i 爱 射波和裂纹面的张开位移根据所测量的载i 寄裂纹面张开位移曲线，印p 一曲线，按 照r i c e 提出的，积分公式计算，。在此装鼍上足，d 辎u1 0 。1 0 9 胁j 虽然这 种装爱能够进行真讦j 卷义上平面应交型弹塑性动态断裂试验，同时也能够剔除质搠性 运动动能的影响，但这种装置也存在两个比较实际的问题：首先由于试件是很长的细杆， 加工困难，傲一次试验需要大量的材料，其次由于加载波长的限制，使得较低加载速率下 的断裂难以实现：同时也未涉及裂纹扩展的阻力问题。 1 9 7 9 年，l ( 1 删掣碉在准静态紧凑拉伸实验的基础上，设计了种锲形加载试件 w l c t ，并在h o p k i n s o n 压杆匕对它进行了应力波自喇蓖，如图2 所示假设裂纹起裂发生 在试1 牺踹艘怦毵之后，i 群就可以按照r i c e 提出的j 积分从式计算- ，。和足。，在此 装置上露，口可达到1 0 s m p a m ”2 j 试验j 舰，利用h o p l d n s o n 装置l 刺得的由f 牛b 端戡 荷曲线( 图3 ) 很光滑，说明此时试件内的惯性效应影响很小尽管这种方法和t 种一 样，比用三点弯曲试验眈撬始哩，并且能够消除质心的惯幽蓟动能，但瞅薛浒多不 足之处，首先该装置的锲形体和撇间存在摩擦，且难以准确确定，另外由于试件b 端 是非自由面，因此它不是真正意义匕的紧凑拉伸：其次溯的锲形体和试件处的勘场 非常复杂，即存在试件和试嬲的耦合问题。从理论匕讲。由刊麴撇置是个复杂 的动力学系统( 在试件附近存在复杂的高维应力、应交场) ，存在多个物理和几何间断面， 在没散拯阶啄绕新亍烨啪镁瞳分析既受诳s m b 维厕勤勺有效性的隋况下，由此 所获得的结果的可靠性很难保证。 1 9 8 3 年，r s j c o r 翻n l 瑚对圈e p b 的方法进行了改进，提出了更合理的试件，从而 实现了真正的动触酾岂鬃鼢垫懈式验，在i 比装置上如可达到1 0 6 m p a m f ，2 ，一，但崃涉 及弹塑性材料断裂韧度的表征与测试方法，也未能对 式验系统进行严格的论证 1 9 8 8 年，t y c 岫嗣瑚p h o p k i m o n 压杆装置t ( 图q 喊弯曲试验试搿避行了动 态断裂澳i 腻，通过实验澳4 得了试f 牛两端的载j 勘臻缓嫡缀时间，稠所测得的载荷作为力 边界条件，根据动态有限元方法得到局p ) 并结合所测得的起裂时间就可以得到k 。在 此装置上霞帕可达到1 0 6 m p a m 压s 4 定荆喏置主要缺点是，试件和输入杆、输出杆存在接 触炭失，这附鞠虫圭员蹶反映了时间聍蚋蝴的影响，说明试件的支撑条牛浊耍验结 果膏一定的影响。 夏源明、饶世国h 1 8 瑚州舄l 等在自行研制的旋转盘式间接杆秆型冲击拉伸装置对双边 窒堂里王盔兰堕主丝塞 壁耋皇塑苎苎望堡圭! 登堡查堕墨塑竺竺兰竺望塞 切口的l y l 2 a ：z 铝合金簿板小试p 妒阍( 图5 ，图6 ) 进行冲击拉伸加载，成功地获得了 k = l0 6m p a m “2 s “时f 扮断裂韧度形成了套新的平面应力型弹塑性材科动念断裂韧 度的游试方法该装跫中入射脉冲的宽度和高度以及匕升沿是由前跫楣短轩的长度、直 径以及锤头的打击速受决定的，且入射脉；中平稳其宽卿磁容荔； 懿i j 这 彰嗽能剔 除与裂纹运动无关的质瞄主动动能比其他方法合理，但试验所用试件是平面应力型的， 不是真正意义匕的材料的断撇，且皿树鹫个系雠行动力学数值分析，因此t 述工 作存在局限性 图1 改装的旧雕i 晦洲装置 lh o p k 州s o n 唧缸雠咖馘d 妇姆呻删 = 二= 二_ |i - - - - - 、 flu 、 b 一 d。方r l 图2 锲形加载试件l l c t f 韶w i c t 咖 1 9 9 9 年，t j h d o 印，y m 舡d 谊蚯d d a r 瑚严基于j h 彷往专门从试疆和数篷汾析两方面 研究8 0 8 2 铝板的厚度( 1 - i i m m ) 对瞬醐胜厶的影响，发现厶随着厚度的增力而增加， 8 安教理t 大学硕士论文 应童串相关井塑性| | 辩功卷断裂铆忭的试验研究 并且发现即使认为簿| 瓣平面应力枕各但铳厚的板在裂尖附近仍然处于三维应力状态 “0 0 10名030 4 围3 载荷位移曲线 v , g 3l d a d h 危叫翟吲f l e mo u r v e 试件 图4t y o k o y a m a 装置示意图 f 醴p r h 啕，k o n y 0 i ( 。蜘瑚d e v b 图5 试件的形状 f i 莎m 盘l 印c o f 印蛐 图6 试件的连接 f i 莎1 h e c 0 曲e c l i 叽o f 单洳 9 一委一口40i 安教理工大学顼士论文 成变串相关弹型性材科动杏断裂韧性的试验研究 2 0 0 0 年。b ii l e vie 幽那呔嗍用带有周边切口的试件测试研究了a i s ! m 2 高速钢的断 裂切度且用应力强度因子k 来表征其断裂韧度，尽管其试验的试件是平面应变型的，但 试验本身是准静态的，且材科是线弹性的，结果表明切口根部的尖锐程度对断裂韧性影响 不大，而切口的僻蝴裂韧度影响很大，认为切口的侮l 搬得试件的断裂韧度降低这 主要是傍翻勤茂 掷是单纯的单向拉伸。对试件产生部分弯曲效应 1 0 哂蝴y a m 锄o t oi 嗍等开发莽燃霹( c 0 f 叩旧a i d d ij n 咖町瑚捌c 盈啊 诹证s i i f l g ) ，即把计算机和c l u n y 装簧络台谗来先利用软件把试验测得的抖动信号滤 波光滑后，再稠光滑的载荷一位移曲线计算j 积分，其实质e 还是动态三点弯曲试验， 在试验方法和原理e 仍然没有新意，并且采用滤波光滑后的曲线进行数据处理，缺乏物理 基础 图7c l p o i o e l a re ta l 装置示慝图 wp r i n c i p l e o f c h p o p e l a r e t a l d e v i c c j h l p 0 p e h r c e a n d 叩，j f a n da n 哟脚综合了很多人的工作，开发了一种和 t y o k o y a m a 类似的试验装置( 图7 ) ，即局部利用s h p b 技术实施三点弯曲的试验方法， 冲击载荷由圆柱子弹撞击圆柱长杆( 文献中称为透射杆) 而产生，并通过圆柱长杆( 与试 僻镬嘟目螨为楔形) 而加至三点弯曲试件上。接触冲击载荷通过贴在杆e 的应3 酣采集的 信号，并按s h p b 的维啜理处理得到。在试件的裂纹尖端前沿贴有断裂丝片，并由此来 测量裂纹的扩展运动。在此装置e 试件的尺寸很大( 5 0 8 2 0 3 2 * 2 4 3 5 m m ) ，其次该装置 的透射杆的直径为2 5 n 肋，目透射杆和试件线接触，从而可以避免子弹和试件直接接触造成 试件的过大的塑性变形和贯穿，并且该装置能够获得 j 擀e 的接触冲击载荷，这一点要比 落锤装置好的多( 般得到的并非接触处的载荷) 。但这种装置的缺点也是明显的，和三 点弯曲装置洋，无法剔除式f 牛的质i 坝性运动动自皂白勺影响。 安教理工大学项士论文应变牢相关井型性材辩动态斯裂研矬的试验研究 除了以上机械式懈黢簧外，还有电磁式加载装置1 9 8 4 年k r m v i 出玎l d c ，捌 利用电醺力对裂纹体进行了短昧 申加载。g 瞄w 鹏对标准三点弯曲试件利时电磁力拥 载，提出了考虑f 受性力和电磁力的动态- ，积分，并利用动态有限元方法进行数值计算。这 种加载方式，所加的脉冲比较平稳强度也容易控制但是此实验只是实现了裂纹体的动 态起裂并测出了起裂点，而没有直接测出有关的力学参量柬确定- 厂血 动态应力强度因子k ，( f ) 或以( ，) 般用两种方法确定种是通过测定试件远场载荷 ，( ，) ，位移万( ，) 或裂纹面的张开位移( ，) 按照准静态公式计算k ，( ，) 或按照删提出 的准静态j 积分公式计算山( ，) 另种方法是根据动态加载下裂纹尖端的渐进场，即近场 法来确定近场法直接以裂尖的近场渐近解为基础，通过冲击试验直接获得裂尖附近随时 间变化的全场 ；r 息，从而得到剜科的动态断裂韧喧主要的近场方法如下 ( a ) 应变片法 d 甜严磐舳动载荷下裂纹尖端应力、应变场的分布规律，通过检测裂纹尖端附近应 变信号来计算应力强度因子，这种方法简单易行，但对应变片的位置要求很严这种方法 对弹塑性材料开i 冶因为弹塑性动态断裂其裂纹尖端应力、应变场目前还没有得到实用 的渐近解。 光粼黜 d b & 趟等人利用动光弹法澳撼了光弹性材料h o m a l i t e l 0 0 动态应力强度因子变 化规律，但这种方法对试件材料要求很高，必须是光弹性材料。 ( c ) 云纹和云纹干涉法 云纹和云纹干涉法是利用与试样受力有关的变形光栅( 试洋栅) 和不变形的基准栅( 参 考栅) 相重叠，产生干涉条纹。利用所获得肝涉条纹图，计算被j 贝量物体的变形。刘宝 琛嗍用云纹法测量了弹塑性扩展裂纹尖端的g h 奇异场。由于云纹和云纹干涉法测量的 是边、面翌彤场，因此只适台于测量平谳试样的断琴期废、塑性区尺寸r 。和，积分的 测量，对周边切口的断裂试件，髓嘲0 量。 ( d x 全鼠和散斑法 全息为在记录底片e 物光与参考光相干涉，利用所记录的物体光波的振幅及相位，用 反盼式全息图再现，得至| 忏涉条纹，反映了离面位移分量i r a 的分布。用l 归懒熳裂纹 安囊理工大学硕士论文 应变牢相关葬塑性材辩动卷断裂韧性的试验研究 尖端颈缩区的形成，变化进而可以计算裂纹尖端位移场的分布，塑性区的尺寸 散斑干涉法是汜剥匿机分布的散斑场，并定量地分析敝日场的变化要求破测量的物 体表面是漫反射表面，当相干光照射物面时将发生漫反射这些漫反射光也是相干光， 它们之间产生相互干涉在空间形成橱干的亮、r 毒光点，这些光点称为敬斑散斑在空问 的分佑以及它们在空间的运动与反射表面的变形有关，如果将空问散斑的运动测量出来， 根据散斑运动与物体变形之间的定量关系，则物体的变形也可定量地得到 稠全翩乱散斑i 删量裂纹尖端玺啦区的形状和尺寸、线弹性断裂的s l f 、弹塑性 断裂的裂纹张歼匣移c d d 、裂匀跌端张开角c 7 d h 、，噍分等基本断裂参量。同样其方 法对试件的表面有严格的要求，在试验的操作e 不太方便。 自从1 9 6 4 年m o g 矿习首次提出动态焦散线方法以后，许多研究者稠它解决了很多 奇异性问题。1 9 7 6 年以后，衄碉等人将它用到动态断裂实验中，解决了很多动态断 裂中的疑难闻题，使得 们对动态自噶目皲的起裂、扩展、分叉及止裂过程有了i 拄步 的认识。其原理是：通过高速摄影拍得裂纹在不同b 核0 的焦散线图，得到焦散线直径。将 其与裂纹尖端应力集中的大小桕晚i 魄来。从而确定了应力强度因子k ，“) 。最早k a l t h o f f 毒队的工作主要集中在对线弹性材料的动态断裂研究上，并获得很大的成功。r o s a k i s 、 r 踟d 嘲设在裂纹尖端存在h r r 渐近场，并第一次把焦散线方法推广到弹塑性动态断 裂中他在定的条件下，动态，积分可以谊l 过焦散线方法确定，5 i 而取得了初步 的成果。这种方法可以对整个断裂过程进行直观的分析与测量。对试件材料及加载方式也 没有严格的要求，可以对透明材料进行测量，也可用反射法对不透明材料( 如金属) 进行 测量目前，焦散线法被认为是研究动态断裂问题个很有前途的方法。但实施这种方法 所需的设备十分昂贵。在焦散线法的测量中，对试样表面光洁度及平整度要求比较高，无 论什么样材料，对表面均有镜面要求。为了应用焦散法于动态断裂问题，必须使用高速记 录技术。同时，这方法受多f i 式样边界的强烈干扰。 以上很多硼净诸由于谢鬻涤件的限制，大多是孤立地从远场或从j 确来研究试件的断 裂韧度，近年来些研究者试图从远、近场两个方面粜研究材料的动态断裂问题，1 9 9 8 年 p r g u d u r u 6 1 】在落锤三点弯曲装置上测量n i - c r 合金的不同加载速率下动态起裂韧度 时，从远场和近场两方面都由，积分来表征。通过在裂纹尖端附近贴应变片测量裂尖的应 力、应变场和利用高速摄影以及红外瞬态测温装置测量裂纹张开位移和裂尖的温度场，推 安徽理工人宁顾七论文应变书相关弹型性| i 辩动态断震韧性的试验研究 广1 睁态的删t 奇异解反过来确定，。同b 寸j 重用尚越朗碉量强缺舶张开位移6 ，由载荷 裂纹张开位移曲线( ，一曲线) 推广r i c e 的远场公式。通过确定起裂点由远场的， 积分公式确定，。通过二者的比较来论证这种方法的合理性试验结果表明：由这二种 方法确定起裂点处的起裂瓠度相差较大，原因在于试验装置中根本无法剔除对裂纹运动无 关的质“献鼹性运动动能的影响，以及在弹塑性动态断裂中缺乏推广h r r 渐进解应用的 物理基础，且该文提出的裂尖温度场作为裂纹运动特征量，也缺乏物理基础，从而导致结 果的不可靠 确定裂纹起裂点是准确测量置肪( 或，0 ) 的重要环节，十余年来。这方面的还没有新 的方法的出现常用的主要有以下几种方法： 二 ( a ) 在 k 嘲面s 装置e ，对脆性材料可以用透射波达到最大值的那点作为裂纹起裂点 i 实际后面的试验已表明，这种方法并不准确。) 应霓刖撇 无论是对脆性断裂试件还是韧性断裂试件都可在裂纹尖端附近( 远离塑性区) 粘贴一 很小的应变片，通过应变片记录的信号，判断裂纹的起裂点及失稳扩展点。 ( c ) 柔度獬方法 该方法最早用于准静态条件下裂纹起裂时间的确定，后来，k 曲町a s l 驴敬挤杉，法用 于o a r p y 定起裂点口近年来，在h c 噼丑期澳晦啦术中人们也采用了这方 法彰宅方宅皇鼹出，通j 立记录b 1 牛翥貊寄- 力载点自位移曲线( p 一万) 到e 者载# 手_ i ；2 纹 面张开位移( p a ) 曲线，从而得到柔度变化率应移曲线 7 a c 一筇( 或)， 7 其中c = c 一巳= 掣一q ( 2 ) c 。为弹性柔度式中c 是弹性柔度，大小等于p 囝一j ( t ) 曲线直线段斜率的倒数， c ：盟。 p ( f ) ( 3 ) 安徽理工大学硕士论文应变串相关井型性材抖动态新震蜘性试验研究 从笋一艿或笋一，蚍很容易得到裂纹起豹趿失稳点( 详见第二章) 蜊 、，一- d 方法对试件的p 一艿( ) 曲线的光滑平强性要求很商 动态焦散燃 通过高速摄影来记录不同时刻裂纹的位置，因此很容易确定裂纹起裂点该方法对周 边切口的断裂试件不适用。 ( e ) 夷嘟嗍 通过显微望远镜或结合高速摄影技术，直接观测试件表面裂纹及裂纹扩展情况，是一 种很有前景的方法；但该方法所用设备昂贵，代价高，般情况下难以实现 1 4动态断裂韧度和加载速率及环境温度的关系 断裂韧度和加载速率的相关性是由材料本身的应变率相关性所决定的利用不同的试 验装置及测试方法，其试验方法和加载速率是不同的，很多研究者发现： 如= 足。，t ) ( 4 ) 其中，r 是环境温度，k ，d 伍，d ，力是在温度为r 时维持裂纹扩展速度为扁。的裂纹扩展断 裂韧度。 1 4 1 动态断裂韧性与温度的关系 对应变率敏感材料，断裂韧受随着加载速率和环境温度的变化而明显改变。在定加 载速率，断裂韧度随环境温度降低而降低。m l w n 9 和，d i d 日俨1 对1 0 2 0 热拉锕在不同 加载速率和环境温度下进行断裂测试发现：在同加载速率下，置，d 隧温度t 的增加而增 加，并且不同的环境温度可以产生不同的断裂机理。在低温时主要是解理断裂，高温时则 是纤维状断裂。 1 4 2 动态断裂韧性与加载速率的关系 动载条阼1 吗嘏的起裂受两个方面因素的影响首先，惯性效蚵以改变物体内动态 应力强度因子的值，使其不同于准静态加载条件下的相应值；其次，高加载速率可以改 变材料的动态韧性值，即金属的动态断裂韧性是加载速率的函数，随加载速率的变化而改 变。对一定范围内应变率不敏厦姊才科，其断裂韧度对加载速率也是不敏感的。t y o k o y a m a 6 s l 对7 0 7 5 一t 6 这种应变率不敏感的高强度铝合金进行测试发现其断裂韧度在 安敷理工大学硕士论文 成童年相关弹塑性| | 辩动寿断裂铴住的试验研究 j = 1 0 。一1 0 m p a m 眦j 。范围内基本上是不变化的r 州r i 喇暂和k m u s p 蝴分y 对h o m a l i t l e1 0 0 试件进行更高燃率下的断裂切度测试，发现在某加载速率以后断 裂韧度随着加载速率增加而急剧t 升处理高加载速率- f 三l s 态断裂问题时，既要考患这种 本构关系的变化又要考虑惯性效应的影响显然在动态断裂韧度的表征与测试( 特别是弹 塑性防科) 的研究取得突破性进展前，材科动态断裂韧度的应变率和加载速率根划：的研 究是难以取得更多的进展的宫能平、夏源咧懒旋转盘式间接杆秆型冲击拉伸试验 装置对应变率无关的l y l 2 c z 铝舍金自q 周边切口试件实施平面应变型弹塑性材料动态断裂 试验，形成种新的合理的弹塑性材料平面应变型动态起裂韧度、材料阻力曲线的j 表征 和测i j 防弦，并从有限元数值分析季j j 马金研觥方面对这一方法进行论证，但l y l 2 c z 铅合金为应变率无；钸择 ，无法得到更i 涉的动态断觥于加载速率的关系但这种 新颖、有效、适用的方法为我们对应变率相关材料的研究提供了可靠的试验与理论基础 加载率( 应变速率套和加载速如率) 和动态断裂韧性k i o 之间的关系首先由 k l c l 擒院k 0 睡蛤出： 舌：垒鱼国 e k m 。 式中，盯对为材料的动态屈服应力对b j ：两边取对数得： “。噎妇如 上式中，右端的第宙吩称为。列萄聿 换因子a o 伊蒯瑚k m 惯瞌睨阻舾旷般情况 下，若考虑应变礞- 化，材利钓切线模量为：e = 口+ e 其中，口为应凌