一种基于SHTB的Ⅱ型动态断裂实验技术

冲击剪切载荷作用下动态断裂韧性的测定是材料力学性能和断裂行为研究中重要组成部分.为了测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,许多学者采用不同的试样与实验方法进行了实验,但限于实验条件,裂纹断裂模式往往是I+Ⅱ复合型,而不是纯Ⅱ型,因而不能准确测得材料的Ⅱ型动态断裂韧性.鉴于此,本文基于分离式霍普金森拉杆(split Hopkinson tension bar,SHTB)实验技术,提出一种改进的紧凑拉伸剪切(modified compact tension shear,MCTS)试样,通过夹具对MCTS试样施加约束,从而保证试样按照纯Ⅱ型模式断裂.采用实验-数值方法对MCTS试样动态加载过程进行分析,将实验测得的波形输入有限元软件ANSYS-LSDYNA,得到了裂纹尖端应力强度因子-时间曲线,并与紧凑拉伸剪切(compact tension shear,CTS)试样进行了对比.同时采用数字图像相关法进行了实验,验证了有限元分析结果.结果表明,MCTS试样在整个加载过程中K_I K_Ⅱ,裂纹没有张开;而CTS试样在同样的加载过程中K_IK_Ⅱ,出现裂纹张开现象.这说明MCTS试样能够准确地测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,为材料动态力学测试提供了一种有效的实验技术.     

应力波载荷作用下线弹性断裂过程的动态分析方法研究

利用Hopkinson单压杆实验装置 ,对材料的线弹性动态断裂特性进行了研究 ,建立了应力波载荷作用下动态裂纹起裂及扩展过程的动态分析方法 ,采用该方法可同时测得材料的动态裂纹起裂时间、断裂韧性和裂纹扩展速度。40Cr钢三点弯曲试样的实验结果表明 :该钢的动态裂纹扩展过程主要是减速过程 ,在2 2 5TPam /s的加载速率下 ,起裂时间为 2 8 0 0 s,最大裂纹扩展速度为 478 91m/s ,动态断裂韧性为6 3 12MPam。     

加载速率和几何尺寸对国产A508-III钢断裂行为影响的实验研究

由加载速率和几何约束改变而引起的压力容器钢韧脆转变问题是核能安全领域亟待解决的关键问题. 为了准确分析国产A508-III钢的动态断裂行为, 借助INSTRON VHS高速材料试验机, 开展了不同加载速率和几何尺寸条件下的国产A508-III钢的断裂韧性试验, 研究了加载速率和几何尺寸等因素对国产A508-III钢动态断裂韧性的影响. 研究表明, A508-III钢具有良好的抗冲击韧性, 随着加载速率的提高, 试样的总冲击吸收能基本保持恒定, 裂纹萌生吸收能量不断上升, 而裂纹扩展吸收能量呈下降趋势. J-Δa阻力曲线和条件起裂韧性J_Q随着几何约束的增加而降低, 随加载速率的增加而升高. 当达到某一临界速率时, 条件起裂韧性J_Q基本恒定, 试样断裂方式也由韧性断裂转变为韧?脆?韧混合断裂. 由于出现混合断裂模式, 发生脆性断裂时的最大J积分值J_max更适于描述国产A508-III钢的断裂韧性演化规律. 随着试样面外几何约束的降低, J_max随Δa_m的增加而线性增大. 试样面内几何约束越高, J_max与Δa_m之间的线性关系斜率越大. 随着试样几何约束的增加, 材料的韧脆转变速率增加, J_max值下降. 改变几何约束只能在有限的加载速率范围内改变材料的断裂方式, 当加载速率超过某个临界值时, 加载速率成为影响材料断裂方式的主要因素.      

金属材料中低加载速率下的动态韧脆转变及断裂韧性测量

金属材料在冲击下的韧脆转变现象和动态断裂韧性的测量是金属材料冲击力学性能研究的重要组成部分.针对金属材料在冲击下的韧脆转变现象认识不足和韧性材料在较低加载率下动态$J$-$R$阻力曲线难以测量的现状,提出了采用高速材料试验机, 设计专用试验夹具,测量15MnTi钢和11MnNiMo钢在不同加载速率下的韧脆转变过程,以及裂尖约束对其动态韧脆转变速率变化的影响.在高速材料试验机上采用上夹具辊刹车,通过调节压缩杆长度改变试验中裂纹扩展量的试验方法,测量了15MnTi钢三点弯曲试样件在较低加载率下的动态断裂韧性.试验发现15MnTi钢CT试验件加载速率低于0.025 m/s时呈现出韧性断裂的特点,加载速率在0.1,$\sim$,0.5 m/s时为韧脆结合型断裂,加载速率高于0.5 m/s后进入脆性断裂区; 11MnNiMo钢CT试验件加载速率大于1.5 m/s后,分层断裂过程中出现先脆断后韧段的现象;发现15MnTi钢和11MnNiMo的动态韧脆转变速率受裂尖约束的影响非常明显,面内约束和面外约束的升高都会导致材料动态脆断速率出现明显降低;还发现三点弯曲试验中, 15MnTi钢在8788 MPa$\cdot$mm/s加载率内断裂韧性随加载率的提升呈现出缓慢下降的趋势.      

某船用钢动态弹塑性断裂韧性的试验测试

描述了利用Hopkinson压杆技术加载三点弯曲试样测试材料动态弹塑性断裂韧性的试验方法。材料的动态应力－应变行为测试在SHPB装置上进行，试样上的动态载荷历史由Hopkinson压杆直接测得，在此基础上，利用自行编制的ANSYS宏程序计算得到J积分历史；与起裂时间相对应的J积分值，即为动态弹塑性断裂韧性。采用上述方法进行了某船用钢的动态断裂试验，首次获得了该钢的动态弹塑性断裂韧性值，为舰船的抗爆能力计算，防动态断裂设计和安全评定提供了基础数据。     

超强钢18NiC250在不同加载速率下的断裂韧性

为了揭示国产超强钢18NiC250的强度、断裂韧性随加载速率的变化规律,利用电子万能试验机和Hopkinson压杆,测试其在0.001～2 000 s-1的塑性流动应力应变曲线及在10-1~106 MPam1/2/s的断裂韧性,同时对断裂破坏机理进行了微观分析。结果表明:该材料的强度对加载速率不敏感,即流动应力基本保持在1.9 GPa;而断裂韧性很敏感,当加载速率由10-1 MPam1/2/s增大到106 MPam1/2/s时,断裂韧性降低了38.2%,断裂模式由韧窝断裂转变为解理断裂。     

高加载率下Ⅱ型裂纹试样的动态应力强度因子及断裂行为

采用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ单压杆技术对单边平行双裂缝试样进行高速剪切加载，用实测的试样加载面上的载荷ｐ（ｔ）结合有限元计算确定其动态应力强度因子。同时还发展了一种用实测的裂尖动态应变，通过在准静态下标定的裂尖应变与应力强度因子间的关系来确定动态应力强度因子的近似方法。实验结果表明，对于稳定裂纹在无边界反射应力波干扰的情况下，两种方法获得的动态应力强度因子吻合得相当好。对４０Ｃｒ钢和Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ钛合金两种材料的动态Ⅱ型断裂实验结果显示出两种完全不同的剪切破坏模式和机理。     

685均质钢静动态断裂韧性实验研究

为了解685均质钢的裂纹在静态加载和动态加载下的裂纹起裂和扩展情况,分别在静态试验机和基于Hopkinson杆技术改进的动态加载装置上采用三点弯曲试样对685均质钢的静、动态断裂韧性进行了研究。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不利影响,可以适当降低碳含量来改善685均质钢的断裂韧性性能。当加载率KI≤1.8778×106MPa（m）^1/2/s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KI>1.8778×106MPa（m）^1/2/s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。采用高速摄影技术记录了裂纹的起裂和扩展,测得了裂纹的扩展速率。发现用裂纹嘴张开位移（Crack Mouth Opening Displacement,CMOD）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。     

数字图像相关测试技术在霍普金森杆加载实验中的应用

本文利用三维数字图像相关(3D-DIC)测试技术,在Hopkinson bar加载条件下测试铝合金动态拉伸力学性能以及TC4合金Ⅱ型裂纹的起裂时间和冲击载荷下的失稳扩展速度。两台高速相机保证了被测物体的三维成像,校准板技术使得所测试的应变-时间历程定量化。利用数据处理软件能够得到关注区内每一点的位移-时间历程、应变-时间历程及主应变等。同时,针对TC4材料的动态断裂过程,三维数字图像相关技术能够实时地记录预制疲劳裂纹的张开、裂纹尖端起裂、裂纹分叉扩展、失稳传播等各个阶段,为动态断裂韧性的确定提供了有力工具。     

40Cr材料动态起裂韧性KId（）的实验测试

描述了利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆技术加载三点弯曲试样测试４０Ｃｒ，材料动态起裂韧性ＫＩｄ（）的试验方法。试样上的动态载荷历程由Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ杆直接测得，并分别代入动态有限元程序及近似公式求得动态应力强度因子历史；由贴在试样裂尖附近的应变片确定起裂时间，最终确定起裂时的动态应力强度因子值，即动态起裂韧性ＫＩｄ（）。试验结果表明:利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆技术加载三点弯曲试样测试材料动态起裂韧性的方法是可行的，起裂时，动态有限元的位移法、应力法及近似公式法求得的动态应力强度因子值比较吻合；在本文的载荷速率下，４０Ｃｒ材料动态起裂韧性ＫＩｄ（）与准静态裂韧性ＫＩｄ（）相比，降低了约２８％。     

Ⅱ型加载条件下页岩断裂行为的预测研究

实际工程中岩体往往处于Ⅰ型和Ⅱ型加载同时存在的状态,而这种复合加载条件下岩石断裂行为的预测较为复杂,也是迫切需要解决的问题。本文基于Ⅰ型加载条件下测试得到的页岩试样断裂韧度,应用MTS(Maximum Tangential Stress,最大切向应力)断裂准则对页岩试样在Ⅱ型加载条件下的裂纹起裂角以及断裂韧度进行了预测。为评估预测效果,通过Ⅱ型加载条件下2种尺寸页岩断裂试验,发现Ⅰ型断裂韧度随岩样尺寸变化的趋势不同,Ⅱ型断裂韧度基本没有尺寸效应。通过比较预测结果以及试验结果发现,利用传统的MTS断裂准则预测的理论值与试验测试值相差较大。在预测过程中断裂过程区尺寸的确定也是非常重要的,如果不考虑断裂过程区的尺寸效应同样会造成很大的预测误差。结合MTS准则确定的断裂过程区尺寸,利用GMTS(Generalized Maximum Tangential Stress,广义最大切向应力)断裂准则预测的岩样裂纹起裂角以及断裂韧度都与试验测试值非常接近。     

双悬臂梁试样恒位移K_1计算公式

双悬臂梁(Double Cantilever Beam简称DCB)试样是一种单边裂纹、裂纹面弯曲加载的试样。早期用于测量材料的表面能,近来应用于断裂韧性的测量、裂纹体动态止裂和裂纹扩展动力学等研究工作中,恒位移的DCB试样尤其广泛用来研究金属材料应力腐蚀断裂性能和机理,因此需恒位移条件下的K_1表达式。     

40CrNiMoA钢的动态剪切断裂行为研究

采用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ单压杆技术对４０ＣｒＮｉＭｏＡ钢单边平行双裂缝试样进行高速剪切加载,得到了在不同动态高加载率时的动态断裂起始韧性。实验表明,在实验的加载率范围内,沿原裂纹方向扩展的动态剪切型断裂存在两种不同的断裂模式,分别称为常规的韧性剪切断裂模式和绝热剪切型断裂模式。前者的断裂韧性随加载率的提高而增大,而后者的断裂韧性则随加载率的提高而减小。根据对这两种断裂行为及其相互转变的实验结果的分析探讨,认为存在一个临界应力强度因子率Ｋｃｄ,它表征两种断裂模式发生转变的条件。     

压-剪复合应力波作用下材料动态断裂韧性研究

提出亚微秒单脉冲应力波载荷作用下Ⅱ型裂纹的平板冲击实验技术 .加载率为dK dt～ 10 8MPa·m1 2 ·s-1.实验中由锰铜应力片和弹性波理论分别测定和计算了压应力 ;通过微观分析确定了动态裂纹的平均扩展长度 ;引进等效应力强度因子 ,用动态断裂理论确定了 6 0 #钢的动态断裂韧性KⅠd和KⅡd ;建立了亚微秒冲击载荷作用下确定材料动态断裂韧性的方法     

金属材料在高速冲击载荷下的韧性和组织结构

本文对35CrMnSiA、37CrNiMo、40Cr、LY12四种金属材料,在不同加载速率下测定其断裂韧性K_(1c)和K_(1d)值;并探讨了四种材料随应变率的增加其断裂韧性变化规律及试样在不同应变率(ε)下的微观机制。     

CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性数值计算研究

采用CTS试样研究Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用.文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切(CTS)试样在Ⅰ/Ⅱ平面混合型加载下的裂纹扩展行为.采用ANSYS建立CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型测试系统有限元模型,为模拟真实受力状态,在CTS试样-销-扇型夹具以及扇型夹具-销-U型夹具之间分别建立接触对进行接触力学分析.通过与解析公式结果进行对比验证了该数值方法的可靠性.采用最大环向应力准则(MTS),模拟了CTS试样不同加载角度下的裂纹扩展路径,获得了裂纹扩展路径中应力强度因子随裂纹长度的变化曲线,解释了裂纹扩展路径不与外载荷方向垂直的原因.结合文中计算结果,在CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型裂纹扩展速率实验测得裂纹长度与寿命的关系曲线a-N的基础上,便可得到材料Ⅰ/Ⅱ型混合型裂纹扩展速率曲线.     

Ti-6Al-4V在高应变率下的动态剪切特性及失效机理

采用基于霍普金森压杆的新型加载技术对Ti-6Al-4V材料的动态剪切特性及失效机理进行了测试研究。获得了Ti-6Al-4V材料在超过104 s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线及失效参数。研究发现,材料的流动应力存在明显的应变率强化效应;随着应变率的增加,材料的失效应力逐渐增大,而失效应变逐渐减小。采用ABAQUS/Explicit对加载过程进行了数值模拟。结果显示,剪切区材料基本处于平面剪切状态,应力应变场分布较为均匀,计算得到的剪应力-剪应变曲线与实验结果吻合较好。经断口分析可知,随着应变率的升高,Ti-6Al-4V的失效机理存在由韧窝、拉伸韧窝至台阶及河流花样的演化过程,材料的失效模式主要表现为韧性断裂。     

加载速率对船用钢断裂韧性的影响

在加载速率为100～106MPam1/2/s的范围内,分别采用准静态、示波冲击、Hopkinson杆型试验装置对某船用钢进行了断裂韧性测试。试验结果表明,此钢的断裂韧性对加载速率敏感,即随着加载速率的升高,断裂韧性下降;应用位错动力学对实验现象作出了解释。     

聚氯乙烯复合断裂性能研究

从弹塑性断裂力学理论出发,进行了硬质聚氯乙烯材料多角度下的Ⅰ/Ⅱ复合断裂试验,研究硬质聚氯乙烯材料复合断裂性能.利用数字图像相关技术,计算复合裂纹稳定扩展的临界裂纹尖端张开角值(ΨC1),尝试用该值作为一种断裂参数来描述硬质聚氯乙烯材料的断裂韧性.结果表明:(1)此材料与常见的金属材料不同,Ⅱ型加载模式下承载能力最大,纯Ⅰ型时承载能力最小;(2)当裂纹稳定扩展时,ΨC1值趋于稳定.故临界裂纹尖端张开角可作为硬质聚氯乙烯材料裂纹稳定扩展的断裂韧性.     

SHPB冲击加载下四种岩石的复合型动态断裂实验研究

分别用绿砂岩、黄砂岩、灰砂岩、大理岩制作了三种几何相似的(φ80mm、φ122mm、φ155mm)中心直裂纹平台巴西圆盘(CSTFBD)试样;利用分离式霍普金森压杆加载,进行了I型和I-II型复合动态断裂实验,并由实验结合有限元分析得到了四种岩石材料的I、II型动态断裂韧度KId、KIId。研究表明:动态断裂韧度均存在尺寸效应,试样尺寸对I-II型复合比和纯II型加载角均会产生影响,复合比随尺寸的增大而减小,大尺寸试样II型加载的加载角比小尺寸试样的小。同时,由于负值的T应力显著减小了裂纹的起裂角,用广义最大拉应力准则预测的起裂角更符合实验结果。