浅谈J积分法在测定材料断裂韧性中的应用

引言

伴随着日新月异的科学与技术,各个领域对材料的要求也逐渐增高,高强度材料构件日趋增多,如高压容器。核电站设备。火箭发动机壳体等均采用高强度材料。这些材料在长期的使用中,虽然可以以高强度保证构件不发生塑性变形及随后的韧性断裂,但论文网却难以防止材料的脆性破坏断裂。而且这种脆性断裂大多在远低于屈服强度的状态下突然发生,事先没有任何征兆,一旦发生便造成巨大的损失。大量的断裂事例分析表明,工程上出现的脆性断裂事故总是从构件自身存在的宏观缺陷或裂纹处开始。

断裂力学通过建立材料的裂纹尺寸。工作应力状态及材料抵抗裂纹失稳扩展能力几者的关系,为零部件和设备的定性或定量的估计带有裂纹材料的寿命。安全运行,和拟定合理的选材规定提供了可靠而新颖的理论依据。

断裂韧性定义为依据断裂力学发展而来的材料抵抗裂纹失稳扩展失效的韧塑性能。通常分开来评价材料塑性和强度,测定强度的指标是在对材料恒定静载荷条件下获得的,冲击韧性是通过摆锤重力作用做功来衡量试样的吸收功而测定的。断裂韧性既可以反应强度指标,又可以反应韧性指标,从而集中地反映了材料的塑性和强度的好坏。通过测定材料的断裂韧性值,则能推算出零件带有裂纹长度a时的临界抗力,进而决定零件的安全承载应力范围;同样也能在确定的承载范围内,计算裂纹的安全扩展的尺寸。由此,断裂力学认为断裂韧性可以材料成为展现抵抗裂纹失效能力的性能标准,评价并预测不同环境中材料的断裂韧性值对工程零件强塑性的设计具有很关键的意义。

1J积分总述

对于延性材料,为了躲避开裂文尖端周围的塑性区,在1968年出现了J积分的概念,其意义在表达变形功的差率和积分路径并无关系。在后续的应用中,J积分成为裂纹和断裂的评判标准。因而在延性断裂力学中J积分的作用越来越显著。

Begley和Landes[1]等人发现了可以用能量释放率来确定J积分及分析临界应力值的大小,随后依据于延性断裂力学的断裂韧性确定方法有了长远的进展。

J不但可以诱导也能控制裂纹的扩展,则J积分为不扩展裂纹和扩展裂尖应力。应变场的单独变量。J积分不但表征了材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力,也是含有一定裂纹长度的材料失稳扩展的特征参数。

2J积分的性质

如果任选取两条不同的路径进行积分,在弹塑性条件下两个回路J积分值是一样的,所以J积分具备守恒性。正因为它的守恒性,任何的路径通过积分后对对结果不会产生任何影响,所以使得裂尖的延性应力-应变场的强度通过J积分唯一地表达,同时也能选择试样的规则或不规则的边界选为积分回路,为J积分的计算创了极大的便利条件[2]。

J积分不仅可以表示裂尖周围的应力-应变场的强度,J积分也是裂纹长度和外载荷的函数,通过具体计算或选择合适的标定即可求出大小。当外载荷或裂纹长度两个变量某个单独增加时,或两者同时增加时,J积分值则增加,那么也就说明裂尖的塑性变形区正在逐渐增大,一直到产生钝化的裂纹前端启裂。并把此时以J积分表示的J值定义为材料的断裂韧性(JIc),JIc是材料弹塑性裂纹失稳扩展(启裂)的依据。

3J积分测试标准

根据研究者得出的J和张开位移之间的精确关系,采用J-裂纹扩展量曲线来计算J积分的是最简单的方法。可以通过载荷值与不同加载点位移曲线所围成的面积来进行衡量,进而计算具体的数值。

伴随计算机技术的飞速发展,一般的材料试验机通过计算机控制进行试验,这样可以采用单试样通过卸载柔度法反复的测量,不仅可得到十几个数据的J-裂纹扩展量曲线,节省了试样的消耗和大量的试样准备工作,而且测量的准确性也有所增加。又因为在每次卸载和再加载时记录了裂纹扩展量和柔度之间的具体数值,这样两者的定量关系进一步确定,由此出现了单试样方法测定材料的J积分的标准。各个试验点用幂定律回归取代直线回归,进而可以画出J-裂纹扩展量变化曲线。然后作一条与钝化线平行的直线,确定为偏置线。偏移值定为0。2mm,J-裂纹扩展量曲线与此偏置线的交点的纵坐标确定为JIc。

通过大量的试验研究,结果表明材料的延性断裂过程主要包括钝化裂纹,出现新裂纹及裂纹扩展断裂几个阶段,同时新裂纹出现及随后扩展往往因为孔洞萌生,生长和聚合而产生的。如果带有裂纹的材料经过加载时,其裂尖区域承受应力后,为了使体积能够保持不变,则需要在裂尖不断张开的同时还要求裂尖前沿向前小量扩展,伸张区由此产生。此外,裂尖附近前方应力场强度也不断的增加,当裂尖附近前方某处区域的应力-应变场强度到达临界值时,材料本身为了缓解应力-应变集中程度,此处的大的夹杂物颗粒或细小的第二相粒子会与材料基体产生分离来释放应力,孔洞由此伴随着应力释放萌生。随着载荷的不断增加,裂纹尖端钝化程度不断加深,钝化半径不断扩大,同时裂纹尖端附近前方区域已经出现的孔洞也长大到一定尺寸,而且裂尖前方的应力最大值随着应力释放的方向不断推移,于是在离裂尖更远的位置上出现了更多的孔洞。当裂尖的钝化半径达到一定临界半径时,则与前方长大到一定程度的孔洞聚合,那么裂纹将开始发生启裂而后扩展。

4J积分的应用

经济性和安全性是现代工程结构的两个主要问题,作为材料线弹性断裂的重要安全评定判据的断裂韧性(KIc)引起了人们足够的重视。按照ASEME1820-13[3]标准规定来测量KIc,对于工程中广泛使用的中。低强度钢,要满足屈服范围小的条件,则需要很大的试样的尺寸,同时试验设备载荷的量程也需要很大吨位的,在有限的试验条件下是很难完成的。近年随着J积分检测技术的推进,断裂韧性JIc作为材料弹塑性断裂的判据,利用小试样的J积分测量以换算成KIc,几乎成了公认的准则。

J积分在J主导区内起主导和支配作用。大量的试验结果和数值计算表明,对于张开型裂纹,J积分是唯一能确定近似应力-应变场区域的测试方法,J积分在应力-应变场区域内,能够起到主导和支配的作用。只有在J主导区,针对延性裂纹失稳扩展的问题J积分才具有真正的实际意义。

一般情况下,材料滑移面多易于发生塑性变形,其断裂韧性值较高。对于钢铁材料,面心立方结构的断裂韧性值高于体心立方的断裂韧性值。断裂韧性在一定条件下是衡量材料抵抗裂纹扩展的判断标准,其值体现了材料的承受载能力和脆性断裂倾向。一般其值越高,抵抗材料裂纹扩展能力越强。提高材料的抗裂能力,可通过提高断裂韧性来实现。

浅谈J积分法在测定材料断裂韧性中的应用