685钢静动态断裂韧性实验研究

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1、崔新忠，等：685均质钢静动态断裂韧性实验研究685均质钢静动态断裂韧性实验研究收稿日期：收到修改稿日期：通讯作者简介：崔新忠（1985-），男，硕士，工程师。主要研究领域：材料动态力学。Email:cuixinzhong@sina.com崔新忠1，2，范亚夫1,2，陈捷2（1.装甲与反装甲材料技术国防科技重点实验室，烟台264003；2.中国兵器工业集团第五二研究所，烟台264003)摘要：测得了685均质钢的平面应变断裂韧性值。借助断口和金相观察发现，685均质钢中存在的少量孪晶马氏体组织对其断裂韧性造成了

2、不利影响。碳是强烈促进形成孪晶马氏体的元素，可以适当降低碳含量来改善685均质钢的断裂韧性性能。基于改进的Hopkinson杆装置测试了685均质钢的动态断裂韧性值。当加载率时685均质钢的动态断裂韧性值都随加载率的增加而下降。当加载率时由于裂纹尖端热软化效应的影响使得该材料的动态断裂韧性值又上升。借助高速摄影记录了动态断裂韧性实验中试样从起裂到断裂的整个过程。并根据实时拍摄的图像用裂纹嘴张开位移（CrackMouthOpeningDisplacement，CMOD）法对其动态断裂韧性值进行了计算。获得了起裂后

3、裂纹的扩展速率。发现基于高速摄影图像用裂纹嘴张开位移法计算得到的动态断裂韧性值与用电阻应变片计算的结果相一致。关键词：685钢；Hopkinson杆；动态断裂韧性；加载率中图分类号：o346.1；o347.1文献标识码：A0引言断裂韧性作为材料重要的力学参量之一，其值会随加载率和温度的不同而改变。人们采用冲击试验机、示波试验机以及改进的Hopkinson杆装置等研究了多种材料如陶瓷[1]、复合材料[2]、45#钢[3]、40Cr[4]、岩石[5,6]等的动态断裂韧性。不同材料的动态断裂韧性与加载率的关系，有的随

4、加载率增加而增大[1,7-9]；有的随加载率的增加而下降[2]；有的随加载率增加变化复杂[10]；还有的材料的动态断裂韧性不具有应变率敏感性[11]。685均质钢在使用过程中要经历高速、高压、高应变率和高温的条件，因此，研究该材料在高加载率下的断裂韧性对于客观真实地评价该材料具有重要意义。本文采用三点弯曲试样研究了685均质钢的静、动态断裂韧性。借助金相显微镜和扫描电镜等工具研究了该材料的断裂特征随加载速率的变化。1实验材料及方法试验选材为10mm厚685均质钢板材。该钢的最终热处理为淬火后低温回火。685均质

5、钢的碳含量（wt%）为：0.26~0.31，其主要合金元素为Mn、Cr、Ni、Mo、Si。该钢属于中碳低合金钢。钢的力学性能：，，AKv(-40℃)16J。图1为本实验所用685均质钢的原始金相组织。685均质钢组织为回火马氏体+残余奥氏体+e碳化物。图1685均质钢原始组织金相Fig1Originalmetallographof685homogeneoussteel本文平面应变断裂韧性实验和动态断裂韧性实验所用的试样类型均为三点弯曲试样，三点弯曲试样的几何形状及尺寸示意如图2崔新忠，等：685均质钢静动态断裂

6、韧性实验研究所示。B为试样厚度，W为试样宽度，L为试样长度，S为实验时的支座跨距。a为裂纹总长度。P(t)为实验所加载荷。图2三点弯曲试样几何形状Fig2Geometryofthree-pointbendspecimen静、动态断裂韧性实验所用的试样尺寸和裂纹取向均相同。试样的厚度为B=9mm，宽度W=18mm，长度L=82mm，在6.5mm长的线切割裂纹的基础上，在Amsler高频疲劳试验机上预制2.5mm的疲劳裂纹，使得裂纹总长度a与试样宽度W之比a/W为0.5。在试验过程中，支座跨距S为72mm。试样裂纹

7、取向为L-T方向，即裂纹法线方向为板材纵向(Longitudinal)，裂纹传播方向为板材横向(Transverse)。平面应变断裂韧性实验按照国标《GB/T4161-2007金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》在Instron1251试验机上进行，加载速率为0.5mm/min。动态断裂韧性实验所用加载装置为基于Hopkinson杆技术的三点弯曲实验装置，该加载测试系统的示意图如图3所示。其原理为由压缩空气以一定速度驱动一圆柱形子弹，该子弹撞击加载杆并产生压缩应力波，当该入射波传播到加载杆与试样界面处时，一

8、部分反射回加载杆形成反射波，另一部分则传给试样并对之施加冲击载荷。加载杆上的应变片将记录入射波和反射波的应变脉冲信号。试样上的应变片将记录裂尖应变历程和裂纹起裂的信号，试样上监测裂纹起裂的监裂片和记录裂纹尖端应变历程的应变片的粘贴示意图分别如图44和图55所示。采用高速摄影机对动态断裂韧性实验进行实时拍摄，高速摄影机型号为Phantomv73，选用的分辨率为208×64，曝光时间为8μ