[发明专利]一种估算金属材料平面应变断裂韧性的方法

说明书

本发明公开了一种估算金属材料平面应变断裂韧性的方法，属于金属材料断裂韧性技术领域。该方法包括三个步骤：小样品断裂韧性实验得到实验值K_q、将K_q²B与试样厚度B进行线性拟合、通过直线斜率准确计算得出K_IC。利用本发明可以简单有效的测量出材料的平面应变断裂韧性，不但极大的节约了实验成本，而且对于一些由于制备工艺或者其韧性较高而无法测量出准确K_IC的材料(如非晶合金及纳米金属材料)，此方法可以提供准确的参量，这为在如何选材提供了有力的依据，尤其是对于航空制造业构件的损伤容限设计提供理论基础。

技术领域：

本发明涉及金属材料断裂韧性技术领域，具体涉及一种估算金属材料平面应变断裂韧性的方法。

背景技术：

随着现代科技的不断进步发展，各行各业对结构材料的力学性能要求日益提高，高强高韧成为结构材料发展的方向。尤其是断裂韧性，在航空航天、核电站以及石油管道等重要领域都作为衡量材料的重要指标[曹春晓.选材判据的变化与高损伤容限钛合金的发展,金属学报，2002，38：4-11.]。断裂韧性是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的参量，其理论基础是断裂力学。断裂力学起源于Griffith在1921年的开创性工作[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.]，他的理论不但得到了脆性固体的理论强度，同时对材料的断裂强度与缺陷尺寸的关系给出了更加准确的修正。在20世纪中叶，由Irwin和Orowan成功地将该理论引入了金属材料的领域，加快了现代断裂力学理论的发展和工业应用[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.]。

目前对于材料断裂韧性的测试方法以平面应变断裂韧性K_IC、J积分和CTOD三种为主。航空制造业等重要工业领域所需的构件(如飞机起落架、飞机大梁钢)都是高强度材料，在大型工程构件的服役过程中极易出现带裂纹脆断的情况。相比于J积分和CTOD方法，平面应变断裂韧性K_IC在评价高强度材料的断裂韧性中应用更加广泛，尤其是它的测量方法较其他两种更加简单。在断裂力学中，K_IC所属的线弹性断裂力学发展比较成熟，而弹塑性断裂力学理论(J积分和CTOD方法)还在进一步探索中[Suresh S.Fatigue of Materials,Cambridge University Press[J].Cambridge,England,1998.]，发展并不完善，因而采用K_IC来评价高强度材料的断裂韧性更具有适用性。当然，金属材料裂纹尖端的总存在塑性区，若塑性区很小(如远小于裂纹长度)，经过适当的修正，则仍然可以采用线弹性断裂力学进行断裂分析，所以对于高强度材料来说，平面应变断裂韧性K_IC仍然是其首选的方法。

不过，平面应变断裂韧性的测量也有其局限性，即断裂韧性数值判定的标准比较苛刻，标准试样尺寸一定要满足K_IC测试的有效性判据，如公式(1)：