研究探讨 Research 306 高强钢断裂韧性与裂纹扩展机制研究 古妮娜 （兰州工业学院机电工程学院， 甘肃 兰州 730050） 中图分类号：G322 文献标识码：B 文章编号1007-6344（2019）10-0306-01 摘要：高强钢的力学性能较为优异，它能够长期的承受循环载荷，而且价格也较为低廉，所以在当前的工业中有着十分广泛的应用。特别是对于航空航天等领域而言，需要结构件具备极佳的力学性能，而高强钢正好可以适应这一需求。而从材料本身来看，其力学性能直接与断裂韧性和裂纹扩展机制相关，因此要有效衡量材料的寿命及抗疲劳能力，可以从断裂韧性及裂纹扩展机制入手。基于此，本文从高强钢的概述入手，首先分析高强钢的断裂韧性，然后探究高强钢的裂纹扩展机制，希望可以借此给高强钢性能的相关研究提供一定的参考。 关键词：高强钢；断裂韧性；裂纹扩展 1 高强钢概述 人们对钢材料的应用有着悠久的历史，从20世纪初开始，全球的钢铁产量逐年增加，有效推动了工业的发展。而且钢材料的价格也较为低廉，它拥有丰富的原材料，再加上优异的力学性能，使得钢材料的应用范围不断扩大。所以，钢材料一直是国民经济的重要支柱产业。一些特殊的行业，对结构件的性能有着更高的要求，需要材料满足特定的使用寿命，同时也要具备优良的承载能力，例如，在核电、交通运输与航空航天等领域，需要优质的钢材料，因此在这一大环境下，高强钢出现在人们的生活中，它具有优异的抗疲劳性能，能够承载更大的负荷，而且疲劳寿命也较长，是工程结构件中必不可少的一部分[1]。 对于钢材而言，在使用前要综合考虑其断裂韧性与裂纹扩展机制，因为材料韧性越低，就更容易发生脆性断裂，这样就会造成结构件失效的问题。而且从大量的实际问题来看，钢结构件的应力脆断一般是由表面或者内部的裂纹引起的，当出现裂纹时，就会改变材料的内部应力分布，整体的连续性受到影响。因此为了有效分析高强钢的整体性能，通常会从断裂韧性与裂纹扩展入手。 2 高强钢的断裂韧性 断裂韧性是评价工程材料的关键指标，因为从当前的发展来看，工程材料的结构都趋向于高强度和高韧性，如果材料本身的韧性不足，就会影响到制作成结构件的使用性能。因此会通过结构件损伤容限设计来进行断裂韧性的判断。结合相关的研究成果，金属材料的断裂韧性主要和试样的厚度、裂纹长度、试样的宽度以及材料的屈服强度有关。在具体的实验中，会将材料进行简单的热处理，通过淬火和回火来获得高强钢，这样就能更为简单的进行测试，同时判断不同因素的影响。 通过具体的实验可以得出，淬火高强钢的拉伸性能较强，抗拉强度甚至能够超过1900兆帕，但是相应的延伸率较低，约为10%左右。而且随着回火温度的不断升高，高强钢的抗拉强度会逐渐降低，但是延伸率与回火温度并没有直接的关系。然而，高强钢的断裂韧性却和回火温度相关，其断裂韧性会随着回火温度的升高而增加。一般而言，高强钢的断裂韧性会集中在35-120MPam1/2，其抗拉强度则分布在1300-2000MPa之间。高强刚的断裂韧性和冲击韧性会随着各类因素的变化而出现较为相似的变化趋势，因为两者都遵循最低能量密度的原理[2]。但是高强钢的断裂任性与冲击韧性也存在不同之处，主要是由于两者的能量消耗方式不同，断裂韧性是通过裂纹扩展来实现能量的消耗，而冲击韧性则是通过裂纹的萌生来消耗能量。 总体而言，高强钢的断裂韧性会明显高于普通钢的结构，所以在承受载荷或者能量冲击时，高强钢能够更好的适应环境变化，而本身不会出现断裂以及裂纹等情况。也正是因为这一原因，使得高强钢能够更好的适用于多种环境。例如，在高铁的轴承及飞机的起落架上，钢铁结构件会承受较大的能量冲击，如果材料的断裂韧性较低，则会因为外部能量而产生裂纹，不仅降低结构件的使用寿命，而且会带来极大的安全隐患。 3 高强钢的裂纹扩展机制 断裂韧性主要取决于材料的塑性变形能力，但是材料的裂纹扩展机制却和其本身的晶界强度、晶界取向以及晶粒尺寸有着直接的关系。因为在裂纹扩展的过程中，会伴随着能量的消耗，这也是材料在承受载荷或冲击时的主要反应。在分析材料的裂纹扩展机制时，需要用到三维成像光路，通过多个投影仪的曝光来实现整体变化的记录。从具体的实验结果看出，随着高强钢断裂韧性的提高，其断裂特征会发生明显的变化，而且裂纹的扩展行为有着一定的区别，这是因为不同的断裂韧性会带来裂纹尖端附近的应力竞争关系，而这时的裂纹主要是通过理解断裂的方式来实现裂纹的失稳扩展。高强钢的裂纹扩展机制主要分为连续裂纹扩展和交替裂纹扩展两种形式，不同的扩展形式与高强钢的断裂韧性有着直接关系。例如，低断裂韧性的高强钢主要是以裂纹跳跃的形式进行裂纹扩展，而高韧性高强钢的裂纹扩展则体现出连续性[3]。 金属结构件最为常见的失效方式就是疲劳，因为在循环的载荷作用下，材料的抗拉强度会发生变化，这时产生疲劳断裂失效的现象。因此，对于特殊的工程结构件而言，要细致的分析其疲劳裂纹扩展的机制，这是因为结构加内部的裂纹难以避免，所以要通过裂纹扩展形式来判断其承受载荷时的应变能力，这样就能有效的评估结构是否能够满足工程的实际需求[4]。从目前的实际情况来看，随着高强钢断裂韧性的增加，其裂纹扩展的均匀性有了明显的提高，而且断裂面更为粗糙。而高强钢裂纹扩展均匀性的提高则证明其抗疲劳裂纹扩展的能力较强，这是因为均匀性的裂纹扩展延长了裂纹的扩展距离，更加有效的消除能量冲击[5]。 4 结语 对于特殊的工业领域而言，在进行结构件选材时，要进行综合考虑，为了有效判断材料是否满足需求，通常会分析其疲劳裂纹扩展及断裂韧性，而且通过这些指标，能够有效判断结构件的设计寿命及抗疲劳能力。在目前的实际工业生产中，高强钢的造价较为低廉，而且原材料十分丰富，所以在当前的工程结构件中较为常用。本文重点探究高强高断裂韧性的不同特性，细致分析了高强刚断裂任性的变化特点，而且有效结合了高强钢裂纹扩展机制，希望通过该研究给高强钢断裂韧性及扩展机制的相关研究提供一定的参考。 参考文献 [1]姜岳峰. 微观结构对高强钢氢脆敏感性的影响及机理[D].中国科学技术大学,2019. [2]叶又,陈佳捷,濮振谦,林建平.拉深成形对于Q&P980高强钢氢致延迟断裂影响的实验研究[J].精密成形工程,2019,11(02):76-80. [3]刘淼,吕植强,王光耀.高强钢及软钢断裂失效行为表征与仿真预测[J].力学季刊,2018,39(04):829-836. [4]M.A. Beltrán-Zúñiga,J.L. González-Velázquez,D.I. Rivas-López,F. Hernández-Santiago,H.J. Dorantes-Rosales,V.M. López-Hirata. Determination of fracture toughness in the short transverse direction of low carbon steel pipes by compact-tension specimens completed by welded attachments[J]. Engineering Fracture Mechanics,2019. [5]Rowan Healey,Nabil M Chowdhury,Wing Kong Chiu,John Wang. Experimental and numerical determination of mode II fracture toughness of woven composites verified through unidirectional composite test data[J]. Polymers & Polymer Composites,2019,27(9). 作者简介：古妮娜（1985.06- ），女，汉族，辽宁海城人，讲师，硕士研究生，主要从事疲劳裂纹研究。 基金项目：兰州工业学院2017年青年科技创新项目，编号17K-008。
2016年 2月下 世界有色金属69试论金属材料韧性断裂模式的分析及其在压力容器中的应用黄远睿（武汉瑞莱保能源技术有限公司，湖北 武汉４３００００）摘 要：断裂力学研究中，研究的重点在于复杂应力状态下金属材料的韧性断裂，为了获得良好的研究效果，本文以两种金属材料为研究对象，一种为４５＃调质钢，一种为１６ＭｎＲ钢材，研究其韧性断裂模式，并分析其在压力容器中的应用，目的在于在本文研究的基础上，形成新型结构承载能力分析方法。关键词：金属材料；韧性断裂模式；压力容器；中图分类号：ＴＧ１１５ 文献标识码： Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０１６）０４－００６９－２ Analysis of ductile fracture mode of metal material and its application in the pressure vesselHUANG Yuan-rui（Ｗｕｈａｎ Ｂａｏ Ｒｅｌｉａｎｃｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ ４３００００，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ， ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｅ， ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｇｅｔ ｇｏｏｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ， ａ ４５ ＃ ｑｕｅｎｃｈｅｄ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｓｔｅｅｌ， ｏｎｅ ｆｏｒ １６ＭｎＲ ｓｔｅｅｌ， ｄｕｃｔｉｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ， ｔｈｅ ａｉｍ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ．Keywords: ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ； ｄｕｃｔｉｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅ； ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ；随着材料科学和断裂力学的发展，二者之间出现交叉，并产生新的学科，细观力学，该学科对微观结构的变形及破坏规律研究时，采用固体力学的方法，将金属材料宏观性质和微观结构联系在一起，对纯唯像力学理论中无法解决的问题良好的解决[1]。在金属材料韧性断裂模式研究中，细观力学有着十分重要的作用，可实现有效的分析，并良好的研究压力容器结构的安全性。1 金属材料韧性断裂模式分析在进行韧性断裂分析之前，首先进行相应的扭-拉试验及反对称四点弯曲试验，形成试验结果之后，利用细观力学对两种金属材料的断口形貌进行观察，形成分析结果。1.1 实验结果分析收稿时间：２０１６－０１作者简介：黄远睿，生于１９８５年，男，浙江台州人，本科，助理工程师。工作单位：武汉瑞莱保能源技术有限公司。研究方向：材料科学与工程。通讯地址：浙江省临海市大田街道大田刘村。联系方式：１５５０６＠１６３．ｃｏｍ第一，拉-扭试验结果。首先以45#调质钢为试验对象， 当切口半径为0.5mm时，随着扭转角度的增加，扭矩逐渐的提高，当切口半径为1.5mm时，随着扭转角度的增加，扭矩同样提升。当拉力相同时，试件的切口半径比较小时，小扭转角度时发生断裂，由此说明，复杂荷载状况下，试件的断裂决定因素并非是单因素。利用有限元计算，在复杂荷载情况下，应力三轴度及空穴比为韧性断裂的决定因素。第二，四点弯试件裂尖实验结果。该实验中，采取的试件16MnR钢试件，当试件的弯剪比为1.0mm时，珠光体与铁素体之间的界限非常明显，存在塑性变形，裂尖钝化明显，但未发生启裂[2]。当比值增加至1.5mm时，启裂出现，并出现扩展，剪切变形强烈。当比值增加至3.0mm时，试件韧性断裂，裂纹出现启裂。从宏观上来看，此种人韧性断裂为剪切型，但主要机制依然为空穴，钝化区中部为启裂的发生未知。1.2 金属材料的韧性断裂模式1.2.1 韧窝型断裂第一，细观机理。金属材料之所以会形成韧窝型断裂，主要原因在于材料承载能力在空穴的形核、扩张和汇合作用下，能力丧失，从而形成断裂。通常，在夹杂和Comprehensive综合世界有色金属 2016年 2月下70二相粒子周围，会发生空穴的形核，原因是在承载状态下，夹杂周围的应力会产生集中，或出现在二相粒子周围，由此一来，夹杂或二相粒子会脱离基体，进而形成空穴的形核[3]。经过大量的试验研究可知，在裂尖断裂过程中，首先形成空穴的位置为最远点附近的大粒子处，接着空穴不断的扩张，当空穴与裂尖相连接之后，发生启裂。第二，断裂路径。45#调制钢试件在拉-扭实验中，预制裂纹并没有产生，属于无裂纹试件，试件断裂之后，形成的断口依然平直，之所以会产生这样的结果，主要的原因为进行了强制性限制。16MnR钢试件为四点弯预制裂纹试件，复合荷载状况下，裂纹启裂转折的现象存在发生的可能。复合荷载下，脆性材料裂纹角的预测采用裂尖K场的最大应力三轴度，实际上，这种方法也同样适用于韧性材料中，经过实验可知，此种方法预测的裂纹角与实测值基本吻合，实质上，此种方法就是M准则，因此，确定韧窝型断裂的断裂角时，M准则为有效的方法。1.2.2 剪切型断裂第一，细观机理。在纯扭荷载下，观察45#调质钢试件的断口，从宏观方面看，与其复合载荷下的断口差别非常明显，从细观方面看，其与韧窝型之间的差别也非常大，剪切型断裂中，断口中包含大量的细小的剪切面，尺寸非常小，空穴的形核及扩张现象并未出现，由此，解释剪切型断裂的细观机理时，需要通过剪切端面来描述从。金属材料剪切变形初期，剪切带内部的细小剪切变形比较小，其中的晶粒出现扭转，而在晶粒内部，尚未形成细观剪切变形，当塑性应变升高时，剪切变形开始逐渐的出现，从而启动剪切机制，尽管此种损伤为物理损伤，但确是永久性的损伤。第二，宏观断口。在剪切滑移带内，会发生整体断裂，沿着韧带滑移线场的滑移线断裂，而主剪应力作用面形成滑移线，因此，沿着主剪应力作用面，发生剪切型断裂，且为集中型。第三，断裂路径及断裂判据。平面构建中一定存在集中剪切带，但在其他构建中，集中剪切带也可能存在，对剪切型断裂的路径进行预测时，在裂尖等半径处，塑性应变发生的方向为主要考虑方向。2 金属材料韧性断裂模式在压力容器中的应用在压力容器中，金属材料的韧性断裂模式分析有着十分重要的作用，通过科学的分析，有效的评估及结构的安全性，从而保证压力容器的性能，本章中，以高压容器为例，分析其在高压容器封头与筒体的连接结构安全性评估中的应用。2.1 载荷加载过程中的有限元分析第一，有效塑性应变分析。随着载荷的增加，有效塑性的应变区域会随之发生相应的变化，通过有限元计算可知，载荷由零逐渐加大时，裂尖附近的有效塑性应变发生变化，以裂尖为中心，应变不断的向外扩展，并逐渐的减小。此外，载荷加载过程中，上裂尖处逐渐的扩展至左上方，此时，在半球形的封头内壁上，塑性区的结果同样发生扩展，方向为向外，最终，封头内侧的韧带完全屈服。第二，应力分析。通过最大应力和最小应力曲线图可知，加载过程中，轴向应力的绝对值最大，径向正应力上，最大值比较低，但在负应力上，最小值的绝对值非常大，对比两个曲线图可知，45#调质钢试件的屈服应力值高于16MnR钢试件，而且与自身的断裂应力相比，屈服应力值也高出很多。第三，位移分析。在实际的高压容器封头与筒体连接结构中，加强圈与容器存在一定的缝隙，而该缝隙就是裂纹，其宽度为2mm，经过有限元计算之后，裂纹设置为无几何宽度，受力状态为劣化结构。分析裂尖位移时，载荷会产生一定的影响，因此，分析的过程中要充分的考虑。第四，应力三轴度分析。上裂尖处和下裂尖出都存在应力三轴度，载荷加载过程中，同样会从产生一定的影响，分析时要充分的考虑。单纯载荷加载分析完成后，还需要对载荷反复加载和卸载过程分析，同样利用有限元法分析有效塑性应变、位移及应变三轴度。2.2 结构破坏方式分析有限元分析之后，可以预先估计结构可能出现的破坏方式。经过上述分析结果可知，该高压容器结构可能出现的破坏方式有三种，一种是整体屈服破坏，载荷正常时，应力比较高，变形比较小，因此，屈服区比较小，当某个部分出现屈服时，整体结构并不会生效，但结构内压出现异常的增加时，整体结构可能会出现完全屈服，从而导致整体结构破坏，二是韧窝型破坏，三是剪切型破坏。2.3 结构的安全性评估对测量结果进行对比，分析可知，加卸载过程反复进行时，如果结构内压基本保持不变，裂纹尖端的局部区域最大值会有所提升，此外，再无其他的变化。为了测试实验结果的准确性，对实际的加卸载过程利用模拟容器进行模拟，经过对比空穴扩张比值可知，全部的加卸载中，空穴扩张会产生变化，但其变化的比值在有限的区域内进行，由此可知，在结构内部，上裂尖周围的部分区域及下裂尖部分周围的区域空穴会出现一定的扩张，减少了材料的承载能力，不过随着反复加卸载的进行，扩张趋势并不严重，结构并不会产生破坏，由此说明，高压容器的此种结构具有良好的安全性。3 结论通过对金属材料韧性断裂模式的分析，可知模式主要包含韧窝型断裂和剪切型断裂两种，将其应用在压力容器中，可有效的提升安全性评估的准确性，同时还可以对结构设计的合理性进行论证。[1]盛水平，韩树新，杨象岳等.基于失效模式的在役压力容器检验[J].石油化工设备，2012，（02）：88-94.[2]程小全，彭霄婧，胡仁伟等.碳纤维复合材料结构修理用胶黏剂应用研究[J].高科技纤维与应用，2015，（05）：12-20.[3]陈树海，张茗馨，李猛等.钢/铝异种金属光纤激光熔钎焊数值模拟[J].焊接学报，2015，（10）：21-24+prehensive综合
金属切削过程韧性断裂的有限元仿真现状
工件材料的断裂准则是金属切削加工有限元仿真的关键技术。分析了国内外金属切削加工有限元仿真的研究现状，并进一步对不同工件材料的断裂仿真技术的特点、适用条件进行了比较分析，指出了现阶段工件材料断裂准则仿真技术尚存在的问题，探讨了切削过程有限元仿真技术的发展趋势，为切削过程有限元建模发展提供一定的参考。
标签：金属切削：韧性断裂；有限元模型
引言
金属切削加工在21世纪依然是机械制造业的主要加工方法。它在保证高效率和低成本的基础上，通过刀具和工件的相互作用，去除工件表面的多余材料，来获得所需工件形状、加工精度和表面质量要求。而在在金属切削加工工艺中，不可避免地出现材料断裂现象，所以必须合理地利用材料产生的断裂，才能实现切削工艺过程[1]。
现代工业研究方法主要包括三种：理论分析、试验研究和有限元仿真，这三种方法可以综合利用。有限元技术以其周期短、结果准确、成本低等诸多优点，获得了广大工程技术和研究人员的青睐。基于有限元仿真技术强大的数值分析能力，它已成为定量研究金属切削加工过程的有效手段，该技术对减少制造成本，缩短产品制造周期和提高产品质量具有重要意义。
1 应用背景
19世纪中期，人们开始对金属切削过程的研究，到现在已经有一百多年历史。由于金属切削本身具有非常复杂的机理，对其研究一直是国内外研究的重点和难点。过去通常采用实验法，它具有跟踪观测困难、观测设备昂贵、实验周期长、人力消耗大、综合成本高等不利因素。
传统的切削过程研究中，试验法是最主要的研究方法，即根据试验结果得出经验公式，从而预报切削力。日益增长的时间设备材料和人力成本的消耗促使人们寻找更通用、更有效的研究方法。而有限元法在分析弹塑性大变形问题，包括分析需要考虑与温度相关的材料性能参数和具有很大的应变速率的问题方面有着杰出的表现。
在金属断裂行为的预测方面，有限元技术可以对其进行模拟仿真，仿真过程能否顺利进行，对断裂行为的预测准确与否，取决于很多因素，其中断裂准则的准确获得以及有限元仿真过程断裂行为网格的调整和重新划分技术，成为工艺顺利进行和结果准确的关键。应用表明，合理利用有限元模拟仿真技术对金属断裂行为进行分析，可以准确预测金属成形缺陷，优化工艺路线和工艺参数[2]。
第１８卷第５期 ２００２年９月 森林工程 Ｆ０ＲＥＳＴ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏ１．１８ Ｎｏ．５ Ｓｅｐ．２００２
金属材料动态断裂韧性测试装置设计
杨 敏 （黑龙江省鸡西市鸡西大学） 摘要本文在Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆测试系统的基础上设计并制造了一套有自己特点的动态断裂韧性测试装置， 测试结果表明该装置是有效的。 关键词动态断裂韧性；测试装置；设计 分类号ＴＧ１１１．９１ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ ｍｅａｓｕｒｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｅｑｕｉｐ． ｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅａｓｕｒｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｂｒｅａｋ ｔｅｎａｃｉｔｙ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａ１．Ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｈａｓ ｉｔｓ ｏｗｎ ｕｎｉｑｕｅ ａｄｖａｎｃｅ． Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｄｙｎａｍｉｃ ｂｒｅａｋ ｔｅｎａｃｉｔｙ；Ｔｅｓｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；Ｄｅｓｉｇｎ 金属材料的动态裂韧性Ｋ 在实际应用中至为 重要，但Ｋ （Ｊ ）的测试存在诸多困难，目前还 未形成统一的测试规范。尤其是对于加载速率Ｋ， ≥１０ ＭＰａ ｍ／ｓ条件下的动态断裂韧性测试，更是 处于百家争鸣的阶段。为了测试金属材料的动态断 裂韧性，我们研究了一套有自己特点的动态断裂韧 性测试装置。 １加载及其测试系统 本文采用的应力波加载装置属于Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压 杆型，其装置如图１所示。 Ｉｔ，－＂ Ｃ枪 ｆ－弹 、 行光源 输入＋ｆ 试样 Ｉ尼器
图１ Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ单压杆加载装置图 该系统主要包括：压气枪、子弹、输入杆及信 号采集与处理系统。试验中，压气枪膛内高压气体 驱动子弹，使之同心撞击输入杆，子弹在撞击在输 人杆之前的速度 通过光电测速装置记录。输入 杆和子弹均为直径ｌ４．５ ｍｎｌ的高强钢（６ｏ ｓｉ Ｍｎ）。 采用光测法测定子弹飞行速度，即在入射杆的 收稿１３期：２００２年６月８ １３ 责任编辑：杨学春 前方设置两对距离固定的光源，即光电传感器，测 得子弹飞行时先后截断光源的时间间隔，再由光源 间隔（测速孔间距）除以时间间隔即得子弹飞行速 度，本文使用的光测装置为ＯＴ—ｌ型振荡测速仪， 子弹飞行速度通过气室压力调节。 输入杆上应变波形的测量采用电阻应变片法， 在输入杆中部贴电阻应变片（２×３ ｙｎｎ＇１）测定输入 上的应变信号。为了准确测定这种短历时、幅值高 的瞬态信号，配合了一台频宽为１０ Ｈｚ～ｌ ＭＨｚ的 Ｋ５４型的超动态应变仪。经应变仪放大后的动态应 变信号由智能测量分析仪（ｘＧＣ１００型）存储。 试验选用的子弹长度为２９０ ｒｎＹｎ，输入杆长度 ７８０ＩＴｌｍ。可激发出波长为５８０ｔｏｎｉ的入射波，最大 持续加载时间为】】８ ｓ。为了使输入杆的电阻应变 片能够将入射波信号与反射波信号分开，应变片位 置与试样接触端距离应大于子弹长度，同时为了测 得完整的反射波信号，应变片位置与试样接触端距 离也应大于子弹长度。通过选用不同长度的子弹， 可控制输入杆中压力方波的持续时间，而其幅值由 撞击速度决定。 ２试样装夹系统 动态断裂韧性测试装置试样装夹系统如图２所 示。 该系统主要由两块固定板、两个立柱、一块立 板、两块支承板构成。在立板上设计了双滑槽结 构，作用是使立柱在滑槽内滑动以适用于不同跨距 （Ｓ＝２５～２７０ ＩＴｌｍ）试样的试验。此外立板设有通 孔，对于脆性材料，当输入杆冲断试样后，可由通 孔穿也，可有效防止输入杆的反弹。
