断裂韧度ctod评定技术的现状及应用

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1、断裂韧度ＣＴＯＤ评定技术的现状及应用徐斌，颜银标（南京理工大学材料科学与工程学院，南京２１００９４）摘要介绍了裂纹尖端张开位移（ＣＴＯＤ）评定技术的概念、发展历程、技术特点、试验方法等，提出了ＣＴＯＤ评定技术现有的问题并概述了这些问题的研究进展。最后简述了ＣＴＯＤ评定技术在工程中的广泛应用。随着相关研究的进展，ＣＴＯＤ理论体系必将更加完善并拥有广阔的发展前景。关键词试验方法技术特点应用断裂韧性ＣＴＯＤＴｈｅＯｖｅｒｖｉｅｗｏｆＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＣＴＯＤＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＸＵＢｉｎ，ＹＡＮＹｉｎｂｉａｏ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａ

2、ｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９４）Ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｈｉｓｔｏｒｙ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｆｅａｔｕｒｅｓａｎｄｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆＣＴＯＤｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔＡｂｓｔｒａｃｔａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＴｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆＣＴＯＤａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｂｏｕｔｔｈｅｓｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉ－ｎａｌｌｙ，ｔｈｅｗｉｄｅｌｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃ

3、ａｔｉｏｎｓｏｆＣＴＯＤｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｗｉｔｈｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｄｅｖｅｌｏｐｓ，ＣＴＯＤｔｈｅｏｒｙｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｂｅｍｏｒｅｐｅｒｆｅｃｔａｎｄｈａｖｅａｒｏｓｙｐｒｏｓｐｅｃｔ．ＣＴＯＤ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｆｅａｔｕｒｅ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓＫｅｙｗｏｒｄｓ起裂纹的失稳扩展；而在弹塑性情况下，由于裂纹尖端的裂纹张开位移（ＣＴＯＤ）或者裂纹尖端的回路积分Ｊ积分达到了某个临界值，从而达到了上述裂纹尖端的临界状态。过去人们只能凭借缺口试样的冲击试验，通过能量

4、的转变曲线对材料的韧性进行定性的评定；现在，在断裂力学的指导下，已经可以利用定量的方法来防止脆断的发生，断裂韧度ＫＩＣ及Ｊ积分、ＣＴＯＤ值已经成为测试材料韧性不可缺少的指标。而在这当中，由于ＣＴＯＤ技术自身的特点，其在工程技术中得到了越来越广泛的应用。引言工程结构设计的基本要求是结构在使用期限内不会发生任何形式的破坏。传统的设计可以保证结构不会因为弹性失稳、变形过大或屈服而发生破坏，但是却无法避免由于材料内部存在的缺陷或裂纹在疲劳载荷作用下或在低温环境中扩展而引起的破坏。这种破坏的特点是没有显著的宏观塑性变形，塑性变形集中在裂纹尖端局部的地区，宏观上难以察觉，再加上裂纹扩展极其迅速，往往会产

5、生灾难性的后果。这样的破坏可以在许多领域中找到，如航空飞行器、导弹、气体或输油管道、压力容器、交通设施、机车车辆、钢架结构、桥梁、船舶等方面都存在这种破坏。材料的断裂是一个很复杂的过程，受材料本身性质、环境因素、工作应力状态、构件的形状及尺寸、材料自身结构及缺陷等很多因素控制，通常是由于多种因素综合作用产生断裂，这为断裂过程的分析增加了很多不确定性，加大了断裂控制的难度。但是随着科学技术的进步和发展，人们对断裂问题的认识不断加深，断裂的过程及其控制还是有规律可循的。近些年断裂力学的发展迅速，关于材料断裂问题的微观机理分析及理论也有了很大的发展，使得断裂学科进入了一个比较稳定的阶段。现在人们已

6、经清楚地认识到快速裂纹扩展的发生是由于裂纹尖端达到了某个临界状态而引起的。在线弹性情况下，由于裂纹尖端的应力强度因子Ｋ超过了某个临界值后引０裂纹尖端张开位移（ＣＴＯＤ）裂纹尖端张开位移（ＣＴＯＤ，ｃｒａｃｋｔｉｐｏｐｅｎｉｎｇｄｉｓｐｌａｃｅ－ｍｅｎｔ）是指裂纹体受张开型载荷后原始裂纹尖端处两表面所张开的相对距离。１裂纹尖端张开位移的概念１．１ＣＴＯＤ先后经历了４种不同的定义方法，为更好地应用于工程技术及科学研究，ＣＴＯＤ的定义方法逐渐向易测量、易分辨、适用面广的方向发展。现在工程中一般采用下面的定义方法。将原始裂纹尖端处的张开位移定义为裂纹尖端张开位移（图１）。当裂纹受载荷后逐渐张开，裂纹

7、尖端出现钝化。钝化的塑性区材料发生与载荷垂直方向的收缩而形成伸长区高度，这便是ＣＴＯＤ值，其大小反映了裂纹尖端材料抵抗裂纹扩展的能力。ＣＴＯＤ值越大则材料抵抗开裂的能力越徐斌：男，１９８６年生，硕士研究生ｃｏｍ颜银标：通讯作者，男，１９６３年生，教授Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｔａｒｘｕｂｉｎ＠１６３．ｃｏｍＥ－ｍａｉｌ：ｙｙｉｎｂｉａｏ＠１６３．断裂韧度ＣＴＯＤ评定技术的现状及应用／徐斌等·１２５·强、韧性越好，反之则