金属板材紧凑拉伸试样测定KR曲线.doc

金属板材紧凑拉伸试样测定KR曲线的试验方法研究项目完成单位: 国家有色金属和电子材料分析测试中心项目完成人: 朱其芳 孙泽明 王福生 姚伟 黄桂成摘 要 金属薄壁板件的断裂损伤容限及KR阻力曲线是金属板材设计使用的重要依据，它表征了裂纹稳定扩展时材料抵抗断裂的特性。本课题对金属板材紧凑拉伸试样测定KR曲线试验方法开展研究。研究得到需调节防曲变板的约束力，使试样的重复加载线斜率相对误差小于2%时，试样才能较好的保持平面应力状态。实验标定了紧凑拉伸试样不同比例a/w的柔度，所得紧凑拉伸试样的柔度标定结果和柔度方程拟合值与国外资料相比，误差波动在3%以内。拟合出了两种钛合金板材的KR a曲线的指数函数形式。关键词 金属板材 紧凑拉伸试样 柔度 KR曲线一、前言金属板材做为薄壁板劲构件大量已用于航海、航空、交通等重要工业领域。薄壁板劲构件多数处于平面应力或近似平面应力状态下承受载荷，在使用过程中其应力和微裂纹状态超过其损伤容限时，材料将会发生破坏性断裂，造成很大的损失。金属薄壁板件的断裂损伤容限及KR阻力曲线是金属板劲件设计使用的重要依据，它表征了裂纹缓慢稳定扩展时材料抵抗断裂的特性,与构件裂纹扩展力曲线的切点所对应的K值,表征了材料的平面应力损伤容限-平面应力断裂韧度1。它与材料厚度、温度及应变率有关,可以认为在一定范围内与初始裂纹长度ao无关，工程上可用于安全设计。金属板件断裂损伤容限及KR阻力曲线的评定方法建立，作为金属板材的使用设计的依据是必要的。目前金属板断裂损伤容限测定及KR阻力曲线的测试方法在我国尚未建立，美国材料试验标准方法协会(ASTM)已制定金属板材断裂损伤容限KR阻力曲线测试方法的标准2,我国这一方面的工作还很薄弱，尚未建立国家标准。航空工业部等单位已开展这一方面的研究,所研究方法偏重于采用中心裂纹板材试样为试验试样,该试样要求较大的几何尺寸，试样的最小宽度W应为35ry,其中：才能满足线弹性边界条件,这样的尺寸难以实现相应的平整度要求,同时要求实验仪器要求几何尺寸大,给试样加工，断裂试验等方面都带来很多困难。特别是碰到故障分析、工艺对比试验等就难以进行,造成实验的普适性较差。用紧凑拉伸试样测定KR曲线就可较好解决上述问题，紧凑拉伸试样所需试样几何尺寸小，是中心裂纹板材试样的六分之一，使用实验条件有较大的普适性，在经济和实用角度上都有较大的优势，美国材料试验标准协会也采用了紧凑拉伸试样来评定金属板材的KR阻力曲线。研究建立测定金属板材紧凑拉伸试样测定KR曲线的方法研究是必需的。本课题对金属板材紧凑拉伸试样测定KR曲线的试验方法开展研究.二、试验紧凑拉伸试样试样宽度和初始裂纹长度分别为：W16(ry)maxao =0.350.45W试样形状如图.1. 所示,取W=100mm。试样表面平整、在裂纹尖端附近区域无划伤，锈蚀等缺陷。试样切口用线切割加工，切口前缘半径不大于0.12毫米，所用材料见表.一:表1 材料及力学性能材 料 名 称抗拉强度Rm MPa屈服强度RP0.2 MPa弹性模量 E GPa板厚mm第一种钛合金板110086011000 2.6第二种钛合金板100090012000 2.0图1. 金属板材紧凑拉伸KR试样图试验在AG-25TA万能材料试验机上进行。试样装入专用防曲装置，在试样裂纹及其延长线与加载线的交点向右移0.1567w位置上v1处（6.0孔中）按装插入式引伸计，以测定裂纹张开位移。通过对试样的缓慢加载，可在XY记录仪上画出载荷与位移曲线，即P2V曲线，如图.2.所示。图2. 金属板材紧凑拉伸KR实验P 2V 曲线由上述P-2V曲线取相应的(Pi. 2Vi)数据点，用柔度公式查出对应的ai 值，得到（Pi、ai）试验数据点。 KRi按下式计算: 式中2式中a为有效裂纹长度ae,所得KRi 、ai 数据点，可拟合KRi ai曲线方程。三、讨论:(1)关于防曲变装置由于试样宽度W与试样厚度B的比例极大,在垂直于加载平面上,试样如没有受到约束,加载平面与试样平面极易偏离,试样将产生严重的屈曲形变,因此扰乱裂纹尖端应力、应变场。为消除屈曲形变的影响，试验时需配置防曲变板，使试样受到垂直于加载平面方向的约束。防曲变板周围螺钉拧住，开有观察裂纹和安装探头引伸计的窗口，以便测量位移和观察裂纹扩展情况。通常，要求试样与防曲夹具之间的磨擦最小,防曲变板内侧用光面胶带粘贴或涂润滑剂，减少摩擦力。用反复几次局部加载卸载的方式，观察加载斜率与卸载斜率是否重合。通过夹持松紧度的调节，调节防曲变板对试样的约束，使试样保持受平面应力状态，使其重复加载线斜率相对误差小于2%。（2）柔度标定在金属板材KR曲线试验方法中，柔度值的选用是计算有效裂纹长度a=ao+ry的基础，通常有理论计算和实验标定两种方法得到3，后者则从具体试验条件与同类试样尺寸的条件下直接进行标定，以得到实验系统偏差。本文对金属板材紧凑拉伸试样进行柔度标定，经无量纲处理后，得到的数据如下表.二 给出：表2 金属板材紧凑拉伸试样柔度标定数据a/w0.30.40.50.60.7B2VE/P20.5330.8850.178.76150.48所得无量纲柔度数据采用多元线性回归拟合，得到紧凑拉伸试样无量纲柔度方程为：柔度标定曲线见图.3 ，柔度方程的拟合值与国外资料 2 相比，误差波动在3%以内。图 3 金属板材紧凑拉伸KR试样柔度标定曲线（3）关于最小试样宽度的确定紧凑拉伸试样的工作宽度W是基本尺寸，这个尺寸一确定，试样的各部分尺寸均按W尺寸比例变化。所以确定允许的最小宽度是一个极重要的问题。在 ASTME561“R曲线测定方法”中规定：紧凑拉伸试样的有效判据为试样失效时试样的剩余未裂韧带至少为：相当于塑性区修正量的8倍，即8ry 。试样的初始裂纹长度a0=0.35-0.45w之间变化，如取上限，可以减小试样尺寸。试样宽度应为： wmin 16（ry ）max本试验选用试样宽度W为100mm,根据所用材料的数据计算,试样宽度满足试验的有效性判据要求.(4) KR曲线函数拟合法:由于金属板材裂纹扩展阻力强度因子KR值与裂纹稳定扩展量a的试验数据点呈现指数函数分布规律,所以选用KR=e(a+ C0) 作为KR a曲线的拟合方程形式，能较合理的表达金属板材裂纹扩展阻力强度因子KR值与裂纹稳定扩展量a的关系 4 。式中、为常数，C0可根据材料试选,使拟合误差最小,一般可选用0.45。、(KRi、C)数据(i=1、2、3、n)的确定：=y X式中：Xi=ln(ai+C0) Yi=lnKRi第一种钛合金板材,所的数据拟合成KR曲线方程：KR=e5.0174（a+2.5）0.669第二种钛合金板材,所的数据拟合成KR曲线方程：KR=e5.63（a+2.5）0.334四、结论 1金属板材紧凑拉伸试样测定KR曲线，实验时需附加试样防曲变装置，使试样保持较好的平面应力状态。 2不同实验系统可进行柔度标定，以检验实验系统偏差。 3裂纹稳定扩展阻力KR a曲线可用指数函数形式表达。参考文献1D.Brock工程断裂力学基础王克仁译2ASTM.E561 standard practice for R-curve Determination 1981