平面应变下紧凑拉伸试样的动态断裂韧性的实验研究

材料的动态断裂韧性是衡量材料在动载荷作用下抵杭裂纹扩展能力的重要指标,以往的材料动态断裂韧性测试多采用三点弯曲试样,而针对紧凑拉伸试样的动态断裂韧性研究很少.本文将紧凑拉伸试样(即CT试样)简化成等效弹簧质量模型,得到了CT试样动态应力强度因子的近似表达式.对Hopkinson压杆装置进行了改进,利用改进后的实验装置进...     

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％。     

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.      

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.     

A novel method for measuring and characterizing dynamic fracture-initiation toughness of elastic-plastic materials

The characterization and testing methods of the dynamic fracture initiation toughness of elastic-plastic materials under tensile impact are studied. By using the self-designed bar-bar tensile impact apparatus, a novel test method for studying dynamic fracture-initiation has been proposed based on the one-dimensional test principle. The curve of average loadv. s. displacement is smooth until unstable crack propagation, and the kinetic energy which does not contribute to the crack growth can be removed from total work done by external-force to the specimen. The fracture-initiation point is determined by compliance-changing rate method. The results show that these methods are feasible and effective. Through the analysis of the conversion between work and energy of a fracture specimen, the dynamicJ-integral is adopted as a characteristic parameter for elastic-plastic materials under impact loading. TheJ-integral is calculated from and curves by using the formula proposed, by Rice. TheJ-integral at fracture initiation is employed to describe the dynamic fracture-initiation toughness of elastic-plastic materials and the experimental results indicate thatJ _ID can be regarded as a material constant.     

通过裂纹开口位移(CMOD)对J积分预测的方法研究

讨论推导J积分和裂纹开口位移(CMOD)的关系,提出了一种通过测量裂纹开口位移(CMOD)估算J积分的方法．以三点弯曲试件冲击断裂试验为例,借助试验高速摄影机对断裂过程的记录影像提取的压头下压位移和裂纹开口位移,运用ABAQUS软件做有限元仿真分析对比,较好的说明了J积分与CMOD的存在正比关系．通过公式可以看出在材料和几何形状不变的情况下其正比关系中因子β是固定值,与远场载荷无关．应用因子β有助于用一个简单加载情况估测受力情况复杂的部件裂纹处的J积分．算例表明,因子β对于J积分的估算偏于保守,这一结论在工程实际应用中有着参考价值．     

An experimental method for determining dynamic fracture toughness

The boundary and loading conditions in many dynamic fracture test methods are frequently not well defined and, therefore, introduce a degree of uncertainty in the modeling of the experiment to extract the dynamic fracture resistance for a rapidly propagating crack. A new dynamic fracture test method is presented that overcomes many of these difficulties. In this test, a precracked, three-point bend specimen is loaded by a transmitter bar that is impacted by a striker bar fired from a gas gun. Different levels of energy can be imparted to the specimen by varying the speed and length of the striker to induce different crack growth rates in the material. The specimen is instrumented with a crack ladder gage, crack-opening displacement gage and strain gages to develop requisite data to determine toughness. Typical data for AISI 4340 steel specimen are presented. A simple quasi-dynamic analysis model for deducing the fracture toughness for a running crack from these data is presented, and the results are compared with independent measurements.     

加载角度对层理页岩裂纹扩展影响的实验研究

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统对页岩进行冲击实验,研究层理角度对页岩动态断裂过程的影响,在裂尖设置裂纹扩展计,借助高速摄影和数字图像相关（DIC）技术对页岩中心切槽半圆盘弯曲（NSCB）试件断裂的全过程进行研究,得到了不同加载角度下页岩的动态起裂韧度、裂纹扩展速度、断裂过程中应变场和水平位移场的变化规律。实验发现:不同加载角度下,页岩的动态起裂韧度具有显著的各向异性,加载角度与动态起裂韧度呈正相关;加载角度对试样的裂纹扩展速度具有显著影响,与裂纹扩展速度呈负相关;当冲击速度较低时,切槽方向是裂纹扩展的优势方向,而当冲击速度较高时,试样会产生沿层理弱面的次生裂纹,次生裂纹对试样的断裂具有显著影响。     

用裂纹张开位移计算三点弯曲试样的动态应力强度因子

给出了一种由裂纹的动态张开位移计算三点弯曲试样的动态应力强度因子的简单方法。对于两种不同几何尺寸的试样,在三类不同载荷作用下给出了数植算例,并与完全的动态有限元方法的计算结果进行了比较。结果表明:两种方法的计算结果相当一致。最后,还给出了由测定三点弯曲试样的裂纹张开位移确定试样的动态应力强度因子,最终确定材料动态起裂韧性的方法。     

冲击载荷作用下黑砂岩动态断裂参数的分形修正

基于分形理论研究了偏折裂纹扩展路径对动载荷作用下黑砂岩的动态断裂力学参数的测试误差影响作用,采用传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验装置对修正侧开单裂纹半孔板（improved single cleavage semi-circle specimen, ISCSC）试样进行动态冲击实验,随后采用裂纹扩展计进行裂纹起裂时间与裂纹扩展速度等动态断裂力学参数测试,采用分形理论对测试的裂纹扩展速度与动态应力强度因子进行修正,利用实验-数值法对黑砂岩的动态断裂韧度进行计算。研究结果表明,ISCSC构型构件能够有效应用于岩石材料动态裂纹扩展行为的研究,并发生了止裂现象,经分形修正的裂纹扩展速度与动态断裂韧度更接近实际裂纹动态扩展情况,修正前后得到黑砂岩材料的裂纹扩展速度误差为33.51%,动态断裂韧度最大误差为7.68%,说明利用分形理论对动态断裂韧度等动态断裂参数计算更合理。     

低速冲击下混凝土少筋梁断裂性能

动态加载下,混凝土中钢筋的阻裂性能一直是冲击动力学研究领域的难点之一。利用落锤试验机对含缺口的混凝土少筋梁进行三点弯曲试验,分析了不同加载速率下梁的冲击力、跨中挠度、混凝土起裂应变率和钢筋应变。实验结果表明:在一定加载速率范围内（0.885～1.252 m/s）,混凝土预制裂缝尖端的裂纹起裂应变率、冲击力最大值、跨中挠度峰值与加载速率呈线性增长关系,当加载速率增至1.771 m/s时,增长趋势减弱;冲击力卸载时,钢筋部分弹性变形恢复导致裂纹产生闭合,裂纹嘴张开位移逐渐减小至恒定值,对裂纹嘴张开位移峰值前的部分曲线进行拟合后得到裂纹嘴张开位移率,结果表明裂纹嘴张开位移率随加载速率的提高而线性增大。     

采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度

爆炸、冲击、地震等人为或自然灾害不可避免,经常造成大量土木工程设施的破坏,因此岩石在动态载荷作用下的行为受到特别关注.岩石动态断裂韧度是评价岩石抵抗裂纹动态起裂、扩展和止裂性能的材料参数,开展岩石动态断裂韧度测试方法的研究对相关理论基础和实验技术的要求较高.岩石动态断裂韧度分为动态起裂、动态扩展、动态止裂三种,虽然关于动态起裂和动态扩展的研究已有一些成果,对岩石动态止裂的研究仍是一个难题,至今几乎无人问津.研究表明,在分离式霍普金森压杆撞击压缩单裂纹圆孔板岩石试样的I型动态断裂试验中,动态起裂、扩展、止裂的全过程可以由黏贴在压缩单裂纹圆孔板试样上的裂纹扩展计监测,岩石的动态起裂、扩展、止裂韧度可以用实验-数值-解析法确定.特别值得一提的是首次测出了岩石的动态止裂韧度.裂纹扩展计信号还显示,压缩单裂纹圆孔板在止裂后,停止的裂纹还会再次动态起裂、扩展并超出裂纹扩展计的检测范围.从能量的角度分析了动态止裂的过程,指出测试动态止裂韧度时要注意的一些问题.结果显示,岩石动态起裂韧度和动态扩展韧度分别随动态加载率和裂纹扩展速度的增大而增大,岩石动态起裂韧度略大于动态止裂韧度.      

周边切口短圆柱试件的杆杆型冲击拉伸试验系统的弹塑性有限元分析

基于一维试验原理提出了用带有周边切口的短金属圆柱试件进行平面应变型弹塑性动态断裂韧度的测试方法；对该复杂的动力学系统进行了轴对称的弹塑性有限元分析，并计算了动态围道^J积分；根据对试件功能转换关系的分析和Rice公式的物理意义，提出了用试件两端平功载荷－两端相对位移曲线（P^-△）推广Rice公式计算试件的远场J积分，由此得到的P^-△曲线基本上消除了与裂纹运动无关的质心运动动能的影响。论证了J积分作为裂端的表征参量，且当切口深度比大于70％时，Rice公式有较高的计算精度，为平面应变型弹塑性动态断裂韧度的表征与测试提供了依据。     

岩石偏心圆孔单裂纹平台圆盘的动态裂纹扩展与止裂

针对平台圆环构型的优点, 提出偏心圆孔单裂纹平台圆盘(cracked eccentrically holed flattened disc, CEHFD), 该试样具有更长的断裂路径。利用霍普金森压杆加载系统, 径向冲击CEHFD试样, 完成Ⅰ型动态断裂实验。砂岩试样表面粘贴应变片和裂纹扩展计, 用于监测裂纹动态起裂、扩展和止裂的全过程。实验表明, 在整个断裂过程中, 裂纹非匀速扩展, 裂纹扩展速度在裂纹起裂后加速上升, 在裂纹止裂前有明显的减速, 与地震时断层的动态破裂全过程完全吻合。采用实验-数值-解析法得到动态应力强度因子, 其时间历程呈现先增大后减小的趋势。根据断裂过程不同时刻, 得到相应的动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度。在动态断裂全过程中, 动态扩展韧度为速度的函数, 变化趋势与速度一致, 随着时间先增大后减小; 动态起裂韧度大于动态止裂韧度, 止裂韧度随着裂纹最大扩展速度的增大而降低, 并且有较大的离散性。     

塑性动态断裂实验研究

本文利用自制的实验装置,对韧性材料在爆炸冲击载荷作用下的塑性动态断裂特性,进行了实验研究,其中包括高塑性应变速率下,塑性区裂纹扩展过程和扩展速度的测试;塑性动态断裂韧性CTOD,及其在不同裂纹扩展速度下变化规律的测试。同时,对不同裂纹扩展速度的试件断口进行微观分析。     

Fracture Properties of Concrete–Concrete Interfaces Using Digital Image Correlation

The mode I and mode II fracture toughness and the critical strain energy release rate for different concrete–concrete jointed interfaces are experimentally determined using the Digital Image Correlation technique. Concrete beams having different compressive strength materials on either side of a centrally placed vertical interface are prepared and tested under three-point bending in a closed loop servo-controlled testing machine under crack mouth opening displacement control. Digital images are captured before loading (undeformed state) and at different instances of loading. These images are analyzed using correlation techniques to compute the surface displacements, strain components, crack opening and sliding displacements, load-point displacement, crack length and crack tip location. It is seen that the CMOD and vertical load-point displacement computed using DIC analysis matches well with those measured experimentally.     

爆炸荷载下青砂岩动态起裂韧度的测试方法

为了研究爆炸荷载下青砂岩I型裂纹动态断裂韧度的测试方法,利用内部中心单裂纹圆盘（internal center single crack disc,ICSCD）试样进行了爆炸试验研究。试样由外径为400 mm、内部加载孔径为40 mm、预制裂纹长为60 mm的青砂岩制成。利用同步触发器实现圆盘中心起爆,并同步触发超动态应变仪,通过径向应变片获取爆炸应变曲线、裂纹尖端的环向应变片获取裂纹起裂时刻。以实测爆炸应变曲线为参量,应用Laplace变换推导出试样加载孔壁应力时程曲线表达式,并用数值反演法得出其数值解。利用ANSYS有限元软件,建立数值计算模型,通过相互作用积分法得出了在爆炸荷载作用下砂岩的I型动态应力强度因子曲线。研究结果表明:（1）ICSCD试件能够很好地用来测试岩石的动态起裂韧度;（2）炮孔周边的应力可以通过拉普拉斯变换的数值反演方法得到;（3）通过试验-数值法能稳定计算出ICSCD砂岩构型的动态起裂韧度,其最大误差仅为7%。     

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.      

Dynamic fracture toughness determined from load-point displacement

The paper presents a method to determine dynamic fracture toughness using a notched three-point bend specimen. With dynamic loading of a specimen there is a complex relation between the stress-intensity factor and the force applied to the specimen. This is due to effects of inertia, which have to be accounted for to evaluate a correct value of the stress-intensity factor. However, the stress-intensity factor is proportional to the load-point displacement if the fundamental mode of vibration is predominant in the specimen. The proportionality constant depends only on the geometry and stiffness of the specimen. In the present method we have measured the applied force and load-point displacement by a modified Hopkinson pressure bar, where two-point strain measurement has been used to evaluate force and displacement for times greater than the transit time for elastic waves in the Hopkinson bar. We have compared the method with the stress-intensity factor derived from strain measurement near the notch tip and good agreement was obtained. The method is well suited for high-temperature testing and results from fracture toughness tests of brittle materials at ambient and elevated temperatures are presented.     

Dynamic Fracture Properties of Titanium Alloys

Fatigue precracked specimens of three titanium alloys (6Al-4V, ELI, and Timetal 5111) were dynamically loaded in a drop weight tower system while the dynamic fracture toughness was inferred using Coherent Gradient Sensing, crack opening displacement, or strain gage methods. A comparison of the initiation toughness of the three materials as a function of loading rate and specimen thickness is made.