含裂紋材料的抵抗斷裂能力，可以用斷裂韌性KIC值表征。根據(jù)航天工業(yè)的損傷容限設(shè)計(jì)原則，斷裂韌性KIC是飛行器材料選擇和構(gòu)件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)普遍接受的測(cè)量金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的方法是GB/T 4161-2007“金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法”。但是，用于測(cè)量斷裂韌性KIC試樣的尺寸必須滿足條件

    式中B為樣品厚度，σy為屈服強(qiáng)度。

    表1給出了幾種鋼鐵材料的屈服強(qiáng)度和斷裂韌性KIC值。根據(jù)式（1），可計(jì)算出準(zhǔn)確測(cè)量斷裂韌性KIC所需的樣品尺寸（表1）。對(duì)于高斷裂韌性KIC的材料，所要求的樣品厚度達(dá)到了793 mm。而實(shí)際情況是，很多構(gòu)件都不能加工成符合式（1）所要求的試樣。如果試樣的尺寸滿足要求，進(jìn)行斷裂韌性KIC試驗(yàn)所需的載荷為

    式中Fmax為所需載荷，B為樣品厚度。將表1中的斷裂韌性KIC值和樣品的厚度代入式（2），可計(jì)算出開展斷裂韌性KIC試驗(yàn)所需的載荷（表1）。由表1可以看出，即使試樣的尺寸滿足要求，常規(guī)試驗(yàn)機(jī)的噸位也不能滿足開展斷裂韌性KIC試驗(yàn)的載荷需求。因此，對(duì)于高斷裂韌性KIC的材料，用GB/T 4161-2007“金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法”準(zhǔn)確測(cè)量其斷裂韌性KIC有兩個(gè)極大的困難：其一是要求的樣品尺寸過大，很多構(gòu)件無法加工出符合條件的斷裂韌性KIC試樣；另一個(gè)是，即使試樣尺寸滿足要求，常規(guī)試驗(yàn)機(jī)的噸位也不能滿足開展斷裂韌性KIC試驗(yàn)的載荷需求。那么，能否使用小尺寸試樣測(cè)出材料的斷裂韌性KIC值, 鑒于此，本文建立一個(gè)材料斷裂韌性KIC的小尺寸試樣評(píng)價(jià)方法，選取0Cr13Ni8Mo2Al沉淀硬化不銹鋼為對(duì)象，加工出不同尺寸的試樣，分別測(cè)試其斷裂韌性KIC并觀察斷口的宏觀和微觀形貌。

    1 實(shí)驗(yàn)方法

    實(shí)驗(yàn)用材料0Cr13Ni8Mo2Al沉淀硬化不銹鋼的屈服強(qiáng)度（σy）為1560 MPa,抗拉強(qiáng)度（σb）為1584 MPa。使用三點(diǎn)彎曲試樣測(cè)量0Cr13Ni8Mo2Al沉淀硬化不銹鋼的斷裂韌性KIC,試樣尺寸列于表2。

    根據(jù)GB/T 4161-2007“金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法”測(cè)量斷裂韌性KIC。先在Instron 8801疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞裂紋的預(yù)制，載荷比R（Fmin/Fmax）為0.1,預(yù)制的裂紋長(zhǎng)度約為0.5 W。然后在Instron 5982電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上將樣品壓斷，壓縮速率為0.5 mm/min。使用光學(xué)讀數(shù)顯微鏡測(cè)量預(yù)制的裂紋長(zhǎng)度。分別用Keyence VHX-1000E體視顯微鏡和Leo Supra35掃描電子顯微鏡觀察斷口的宏觀和微觀形貌。

    2 結(jié)果和討論

    2.1 斷裂韌性

    圖1給出了不同尺寸斷裂韌性試樣的力-位移曲線。圖1給出的不同尺寸斷裂韌性試樣的FQ值，如表3所示。表3還給出了預(yù)制裂紋的長(zhǎng)度（a）。將表2中的試樣尺寸與表3中的FQ與a值代入式（3）和（4），可計(jì)算出斷裂韌性條件值KQ。

    式中S為跨距，B為樣品厚度，W為樣品寬度，具體數(shù)值列于表2。由式（3）和（4）計(jì)算出的斷裂韌性條件值KQ,列于表3。最后，根據(jù)判據(jù)

    就可以判定斷裂韌性條件值KQ是否為有效的斷裂韌性KIC值，結(jié)果如表3所示。式中B為樣品厚度，a為預(yù)制的裂紋長(zhǎng)度，W為樣品寬度，σy為屈服強(qiáng)度。由表3可以看出，樣品的厚度為25 mm時(shí)，斷裂韌性條件值KQ為有效的斷裂韌性KIC值；也就是說，0Cr13Ni8Mo2Al沉淀硬化不銹鋼的斷裂韌性KIC值為118 MPa.m1/2。

    2.2 斷口的形貌

    圖2給出了不同尺寸斷裂韌性試樣的宏觀斷口形貌。從圖2可以看出，斷口表面可分為預(yù)制裂紋區(qū)和拉斷區(qū)，拉斷區(qū)又可分為正斷區(qū)和剪斷區(qū)（剪切唇區(qū)），而正斷與剪斷共存與競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象也出現(xiàn)在高強(qiáng)鋼的沖擊斷口和拉伸斷口中。以上結(jié)果說明，高強(qiáng)度金屬材料的斷裂能包括正斷能和剪切能兩部分。由圖2還可以看出，不同尺寸斷裂韌性試樣的剪切唇形狀基本相同，且對(duì)稱分布于試樣兩側(cè)。圖3給出了斷裂韌性試樣的微觀斷口形貌，可見在拉斷區(qū)內(nèi)斷口的形貌特征有所不同。在靠近預(yù)制裂紋區(qū)的區(qū)域內(nèi)可觀察到許多光滑的解理小平面，而該區(qū)域的寬度da只有幾十個(gè)微米，如圖3所示；而在距離預(yù)制裂紋區(qū)較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)，斷口表面則主要是由韌窩組成（圖3）。韌窩的出現(xiàn)，意味著樣品將很快斷裂。

    2.3 小尺寸試樣評(píng)價(jià)方法

    Duan等在高強(qiáng)鋼的沖擊斷口上發(fā)現(xiàn)，在靠近缺口根部的位置有一個(gè)光滑區(qū)。他們認(rèn)為，該區(qū)域是試樣在沖擊載荷的作用下裂紋沿最大切應(yīng)力方向萌生而形成的初始斷裂區(qū)。因此，該區(qū)域又可稱為裂紋萌生區(qū)。他們還發(fā)現(xiàn)，在沖擊過程中外界輸入的能量大部分消耗在裂紋萌生階段。在此基礎(chǔ)上，他們測(cè)量不同尺寸沖擊試樣的沖擊功和斷裂面總面積，就可以得到材料的本征沖擊韌性。本文試樣的拉斷區(qū)又可分為裂紋慢速擴(kuò)展區(qū)（解理區(qū)）和快速擴(kuò)展區(qū)（韌窩區(qū)），如圖3所示。參考Duan等的觀點(diǎn)，本文的斷裂能主要消耗在裂紋慢速擴(kuò)展區(qū)。根據(jù)斷口的宏觀與微觀形貌（圖2和3），裂紋慢速擴(kuò)展區(qū)斷裂面示意圖可如圖4所示。裂紋慢速擴(kuò)展區(qū)也包括了正斷區(qū)和剪切唇區(qū)。如前所述，斷裂能（UT）包括正斷能（UC）和剪切能（US），即

    式（7）中KI為應(yīng)力強(qiáng)度因子，E/在平面應(yīng)力狀態(tài)下等于E,而在平面應(yīng)變狀態(tài)下等于E/（1-ν2），E為楊氏模量，ν為泊松比；式（8~10）中KQ為斷裂韌性條件值，該值與試樣尺寸相關(guān)，AT為裂紋慢速擴(kuò)展區(qū)的面積，KIC為材料的本征斷裂韌性值，AC為裂紋慢速擴(kuò)展區(qū)內(nèi)的正斷區(qū)面積，KS為材料的本征剪切韌性值，AS為裂紋慢速擴(kuò)展區(qū)內(nèi)的剪切唇區(qū)面積。而AT、AC和AS可分別表示為

    式中B為樣品厚度，S為剪切唇區(qū)的寬度，da為裂紋慢速擴(kuò)展的距離，如圖4所示。圖2表明，不同尺寸斷裂韌性試樣的剪切唇形狀基本相同，因此可以認(rèn)為圖4中的θ角基本相同，而S則可表示為

    式中k為常數(shù)。同時(shí)，裂紋低速擴(kuò)展的距離da與裂紋尖端塑性區(qū)尺寸（rp）成正比。而當(dāng)裂紋低速擴(kuò)展時(shí)，裂紋尖端的塑性區(qū)尺寸（rp）可表示為

    式中α為常數(shù)，KQ為滿足裂紋慢速擴(kuò)展的臨界外加應(yīng)力強(qiáng)度因子，即斷裂韌性條件值，σy為屈服強(qiáng)度。對(duì)于同一材料，屈服強(qiáng)度不變。因此，裂紋低速擴(kuò)展的距離da可表示位

    式中m為常數(shù)。將式（14）和（16）代入式（11）~（13）可得AT、AC和AS的表達(dá)式，再將AT、AC和AS的表達(dá)式代入式（8）~（10）可得UT、UC和US的表達(dá)式。最后，通過式（6）可得

    由式（18）可以看出，1/KQ2與1/B成線性關(guān)系。當(dāng)樣品的厚度B非常大時(shí)樣品的尺寸肯定滿足式（1）的尺寸要求，此時(shí)1/B接近于0,1/KQ2等于1/KIC2。綜上所述，可以用直線來擬合1/KQ2與1/B之間的關(guān)系，而該直線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)即為1/KIC2。

    圖5給出了不同尺寸0Cr13Ni8Mo2Al沉淀硬化不銹鋼斷裂韌性試樣厚度B與斷裂韌性條件值KQ之間的關(guān)系圖。可以看出，1/KQ2與1/B成良好的線性關(guān)系，而它們之間的關(guān)系可表示為

    如前所述，擬合直線與縱坐標(biāo)之間的交點(diǎn)就是1/KIC2,也就是說1/KIC2等于6.05×10-5。由此可得，0Cr13Ni8Mo2Al沉淀硬化不銹鋼的斷裂韌性KIC值為128.6 MPa?m1/2。同時(shí)，斷裂韌性的結(jié)果表明，使用標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)得的斷裂韌性KIC值為118 MPa?m1/2。這表明，使用小尺寸試樣評(píng)價(jià)方法得出的斷裂韌性KIC值與使用標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)試得出的斷裂韌性KIC值之間的相對(duì)誤差為9%,沒有超過10%,說明用小尺寸試樣評(píng)價(jià)方法來獲得金屬材料的斷裂韌性還是十分可靠的。

    3 結(jié)論

    （1） 使用本文建立的小尺寸試樣評(píng)價(jià)方法，只需得到不同尺寸試樣的斷裂韌性條件值KQ,通過直線擬合1/KQ2與1/B（B為試樣厚度）之間的關(guān)系得到該直線與縱坐標(biāo)之間的交點(diǎn)，該交點(diǎn)值就是1/KIC2。

    （2） 根據(jù)小尺寸試樣評(píng)價(jià)方法測(cè)出的斷裂韌性KIC值與使用標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)試得出的斷裂韌性KIC值之間的相對(duì)誤差為9%,沒有超過10%;這說明，使用小尺寸試樣評(píng)價(jià)方法測(cè)量金屬材料的斷裂韌性KIC值是十分可靠的。

    （3） 根據(jù)宏觀形貌特征斷裂韌性試樣的拉斷區(qū)可分為正斷區(qū)和剪切唇區(qū)，而按照斷裂機(jī)理又可分為裂紋慢速擴(kuò)展區(qū)（解理區(qū)）和快速擴(kuò)展區(qū)（韌窩區(qū)）。斷裂能主要消耗在裂紋慢速擴(kuò)展區(qū)，斷裂能由正斷能和剪切能組成。

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