无需在试样上预制裂纹的材料常规断裂韧性测试法

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1、无需在试样上预制裂纹的材料常规断裂韧性测试法（已授权专利）技术说明书吴力航一.发明的基本目的一个受力构件是否会发生脆性断裂主要取决于该构件材料的力学本性以及构件的几何尺度这两个基本方面的综合效果。或者说，判断材料是脆性还是非脆性的，仅仅从所谓的材料本性上认定还是不够的，还必须考虑构件的几何尺度。当构件的几何尺度大到一定程度后，由于构件内裂纹尖端附近的力学约束条件都必然接近和达到平面应变状态，因此任何固体材料都是可以呈现出低应力脆性断裂的情形来的。正由于这种外在的几何尺度与内在的材料本性在构件断裂行为上的紧密不可分割性，导致了在材料断裂韧性测试方法上的某些不可实施性。当然，从理论上讲，只要

2、试样的几何尺度足够大，就能保证裂纹前沿处于理想的平面应变状态，目前已有的断裂韧性测试方法就能从测试上获得该材料的断裂韧性KIC值。但事实上，对于那些强度较低的材料，保障裂纹前沿处于平面应变状态所需的样品尺度过于厚大，要求材料试验机的动力规模也就过大，因此实际上是无法在目前通行的材料试验机上获取它们的断裂韧性KIC值的。可以理解，当前测试方法的这种局限性是由于测试方法本身的局限性所带来的。例如，对一些仍以低应力断裂为主要破坏形式的铝合金和镁合金的结构件，在实用中由于测试其断裂韧性值KIC所需的试样过于厚大而不可测试，只好用测试可靠性低于线弹性的K因子测试法的JIC测试来避免试样尺度的困难，

3、甚至直接用可靠性更低的传统冲击韧性值来勉强代替对它们的抵抗低应力断裂的性能方面的评估。从某种意义上可以说，当今的工业设计，是建立在采用过于宽松的抗断裂安全系数的基础之上才得以支撑的，实际上是以付出了巨大的材料和动力浪费来制造结构件的。如果能够排除掉传统测试方法中试样尺度这个影响因素，从材料本性上更加精确、更加广泛地测定所有用来制造构件的材料的断裂韧性值，就可以使得材料的断裂韧性参数与它们的其它常规机械性能参数更好的配合起来，大大合理化工业设计中由于安全系数的不合理选定造成的浪费。除了以上试样尺度与材料本性无法区分的缺陷之外，传统断裂韧性测试方法还有一个缺陷，这就是无法区分试样中两种不同热

4、力学属性的力学行为。历来的测试法采用的试样都是针对一个已经含有裂纹的裂纹体进行的，采用了含裂纹型试样，试样中全体积范围的均布的、热力学可逆性的弹性变形和发生在裂纹尖端附近的、热力学不可逆性的塑性变形定会同时出现和进行，即两种热力学属性完全不同的材料力学行为混杂在了一起难以区分。显然，即使采用了某个物理参量来作为判据（例如现在的J判据等），那么这种判据也必定只能是建立在对材料作出了一定的假定，即忽略掉了裂纹尖端由于裂尖塑性区影响的前提下才能提出来的判据。但这些曾经被忽略掉了的因素，却可能在面对低强度材料时被极大地突显出来，结果导致了按这种试样进行的测试中出现了难以克服的测试误差。凡此以上这

5、些问题的存在都是由于采用了含裂纹的试样才带来的，不跳脱出采用含裂纹型试样的窠臼，断裂韧性测试中的这些问题是无法真正得到解决的。本发明针对这一现状，提出了一种可以采用极小尺度试样并且无需在试样上预先制造裂纹的测试方法，有可能从试验方法上解决目前的这种困境。从试样制备方法上看，在现有的各种材料断裂韧性测试法（获取材料的KIC值和JIC值）中，都需要首先在试样中制造出一个宏观裂纹来。由于裂纹的制作过程十分繁复，以及作出的裂纹状况对随后的测试结果非常敏感，因此断裂韧性试样的制作本身就是一个较容易出现问题的环节，甚至是影响断裂韧性测试结果的决定性环节。除了上面谈到的，由于试样尺度的原因造成的对低强

6、度材料的不可测试性外，即使是对于所谓可以测试的那些高强度材料，也很容易发生由于试样裂纹制作过程的复杂性导致的测试数据的分散性，降低了数据的可信程度。因此试样制备的低可靠性和高成本也是一个有待改进的问题。二.试样的结构及其测试装置1.试样的形式与制作为了解决断裂韧性测试对试样尺度依赖性的弊病，本发明采用了在待测材料试样表面附上一层已知机械性能参数的脆性薄层，通过在加载过程中这层脆性层的开裂直接在待测材料试样表面上“制造出”一个裂尖塑性区来。根据已知的脆性薄层的机械性能参数和已知的外加载荷，就可以确定该裂纹对裂尖处基底材料（待测材料）的加载数据。通过测定在这个加载条件下在待测材料表面上制造出

7、这个裂纹前沿塑性区所需的塑性变形功，并通过合理的方法外推至使得材料在单向拉伸实验中出现内缩颈时对应的塑性变形功，就可以确定出该材料在裂尖塑性区内萌生空穴的临界塑性功，也就是待测材料中裂纹开始发生扩展的临界塑性能。本发明中采用的试样如图1所示。图1.测试试样从试样的形式上看，采用了高弹性模量的脆性薄层引入裂纹。根据材料力学，复合梁中的应力按弹性模量分配并具有成反比的规律，σ1/K1=σ2/K2（1）其中，σ1，K1是分布于薄层中的应力