[發明專利]一種估算金屬材料平面應變斷裂韌性的方法

有效

• 申請號: 201810537905.0
• 申請日: 2018-05-30
• 公開（公告）號: CN108844806B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 張鵬;李鶴飛;段啟強;屈瑞濤;張哲峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01L1/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

本發明公開了一種估算金屬材料平面應變斷裂韌性的方法，屬于金屬材料斷裂韌性技術領域。該方法包括三個步驟：小樣品斷裂韌性實驗得到實驗值K_q、將K_q²B與試樣厚度B進行線性擬合、通過直線斜率準確計算得出K_IC。利用本發明可以簡單有效的測量出材料的平面應變斷裂韌性，不但極大的節約了實驗成本，而且對于一些由于制備工藝或者其韌性較高而無法測量出準確K_IC的材料(如非晶合金及納米金屬材料)，此方法可以提供準確的參量，這為在如何選材提供了有力的依據，尤其是對于航空制造業構件的損傷容限設計提供理論基礎。

技術領域：

本發明涉及金屬材料斷裂韌性技術領域，具體涉及一種估算金屬材料平面應變斷裂韌性的方法。

背景技術：

隨著現代科技的不斷進步發展，各行各業對結構材料的力學性能要求日益提高，高強高韌成為結構材料發展的方向。尤其是斷裂韌性，在航空航天、核電站以及石油管道等重要領域都作為衡量材料的重要指標[曹春曉.選材判據的變化與高損傷容限鈦合金的發展,金屬學報，2002，38：4-11.]。斷裂韌性是材料抵抗裂紋失穩擴展能力的參量，其理論基礎是斷裂力學。斷裂力學起源于Griffith在1921年的開創性工作[Griffith A A,EngM.VI.The phenomena of rupture and flow in solids[J].PhilosophicalTransactions of the Royal Society A,1921,221(582-593):163-198.]，他的理論不但得到了脆性固體的理論強度，同時對材料的斷裂強度與缺陷尺寸的關系給出了更加準確的修正。在20世紀中葉，由Irwin和Orowan成功地將該理論引入了金屬材料的領域，加快了現代斷裂力學理論的發展和工業應用[Irwin G R.Fracture dynamics[J].Fracturing ofMetals,1948,152；Orowan E.Fracture and strength of solids[J].Reports onProgress in Physics,1948,12:183.]。

目前對于材料斷裂韌性的測試方法以平面應變斷裂韌性K_IC、J積分和CTOD三種為主。航空制造業等重要工業領域所需的構件(如飛機起落架、飛機大梁鋼)都是高強度材料，在大型工程構件的服役過程中極易出現帶裂紋脆斷的情況。相比于J積分和CTOD方法，平面應變斷裂韌性K_IC在評價高強度材料的斷裂韌性中應用更加廣泛，尤其是它的測量方法較其他兩種更加簡單。在斷裂力學中，K_IC所屬的線彈性斷裂力學發展比較成熟，而彈塑性斷裂力學理論(J積分和CTOD方法)還在進一步探索中[Suresh S.Fatigue of Materials,Cambridge University Press[J].Cambridge,England,1998.]，發展并不完善，因而采用K_IC來評價高強度材料的斷裂韌性更具有適用性。當然，金屬材料裂紋尖端的總存在塑性區，若塑性區很小(如遠小于裂紋長度)，經過適當的修正，則仍然可以采用線彈性斷裂力學進行斷裂分析，所以對于高強度材料來說，平面應變斷裂韌性K_IC仍然是其首選的方法。

不過，平面應變斷裂韌性的測量也有其局限性，即斷裂韌性數值判定的標準比較苛刻，標準試樣尺寸一定要滿足K_IC測試的有效性判據，如公式(1)：