平面应变断裂韧性 Ｋ 表征材料抵抗裂纹扩展的能力。Ｋ ｚ ｃ 的测量按国家标准 Ｇ ／４ ６—４ Ｂ Ｔ １ １８ 《 金属材料平面应变断裂韧度 Ｋ 试验方法》进行 ，采用三点弯 曲试样 ，Ｄ 钢试验件几何如 ×
收稿 日期 ：２ ０ ０ ４年 ８月 １ ０日
・ ２ ・ ２
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试验件被压断后用读数显微镜按图４ 所示的位置测量机械切 １和疲劳裂纹 的长度 ａ、２ ： ３ ｌ 、 ａ
ａ、ａ和 ａ，取 ａ（ ２ａ＋４／，结果 见表 １ ３ ４ ５ ＝ ａ＋ ３ａ）３ 。
・ ２ ４ ‘
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试验结果分别见表 １ 断 口大部分为平断口，只在试件的边缘有少量 的剪切唇，单位 ， 厚度斜断 口比例最大不超过 １ ． ３ ％。 ４
图 ２ 示。试件编 号 为 Ｏ ｅＯ 所 ｌ ６和 Ｑ Ｉ Ｔ ，Ｔ为有涂层试 件 。按线 弹性 断裂力 学 Ｔ ￣Ｑ６
Ｋ ＝ ＃ （／ Ｉ ｇ ｒ ａ Ｗ） ￣ｆ
三点弯曲试样的应力强度因子按下式计算 Ｋ
（） ２
Ｋ＝ｅ ／Ｗ （Ｗ （ｓ／ ａ ） ￣Ｂ３ ／ ） ｆ
口
（ ３）
ａ ｄ Ｍ ｔ ｒ ａ ｓ １ ８ ， ｐ １ — — １４ ｎ ａｅ ｉｌ， ９６ ｐ ４ｌ ７ ．
蒋祖国，吕国志． 飞机结构腐 蚀疲劳．航空工业 出版社．９２ １９
ｓＨＳ ｉｈ ． ｈ ｉｔａ ，ＦＷＢｕｔａｄＭＬＯ ｉｅ。老龄飞机加速腐蚀疲劳试验方法 ．．ｍｔ，ＴＫＣｔｓｍｎ ． ｒ ｓ ．．ｌｖｒ ｎ 王逾涯，韩恩厚等．Ｌ ＩＣ 铝合金在 ＥＣ 溶液中的腐蚀行为研究．装各环境工程，２０ Ｙ２Ｚ ＸＯ ０５
１０ ６０ １０ ４０
ｌ０ ２０ １０ ００
菩８ ０ ０
６０ ０
４０ ０
２０ ０
０
０ ０ ２ ． ０ ６ ． ｌ １ ２ ． １ ６ ． ２ ２ ２ ． ． ０ ４ ． ０ ８ ． １ ４ ． １ ８ ． ２ ４
应 变 （１００ ｅ） ＊０ ０
米／ 。 分
・ ２ ’ ３
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．１
耍 Ｉ
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６ ５
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６ ５
图２ Ｄｘ 钢锻件 Ｋｃ １试样
屈服强度 ｏ ． 的测量 ｏ ： 根据试验机上计算机记录的应力． 应变 曲线 ，自坐标原点起作弹性直线 ，然后在 ｘ 轴上 应变为 （２ １ ％处 卜 述直线的平行线，此直线与应力． 应变 曲线的交点对应的应力即为屈服强
＝
㈤
３ 试验件 与试验过 程
试验件包括板形拉伸试样 ８件，Ｄ 钢锻件Ｋ－三点弯 曲试样 １ 件 ，分别如图 １ ｘ ｃ ２ 、图 ２ 所示 （ 图中长度单位为 ｍ ） ｍ。 Biblioteka 图 １ 板形 拉伸试 样
３１ 板 形试验 件 拉伸 试验 ．
在断裂韧性试验的有效性检验中需要用到屈服应力 ０ － ２ ０ ｏ因此试验前需要测量 ０ － ２ ０ｏ试 验前把所有试验件表面用细砂纸 （０ ６０ 耐水砂纸）打光，然后在标距的两端及 中间三个位置
湿度 。试验 采 用位 移 控制 ，加 载 速 率为 ２０毫米／ 。 ． 分
・
疲劳裂纹的预制
在试验件的侧面 ０ Ｗ 的位置垂直 于裂纹扩展方 向用铅笔画一条直线，当疲劳裂纹到达 ． ５
此直线时停止 。预制疲劳裂纹的载荷为 Ｐ １ｋ ｍ ＝ ４Ｎ，Ｐ ２ Ｎ 。 咖＝ｋ
・
裂 纹 长度 ａ的测 量
作者简介 ：薛景川 （９ １）男，陕西人 ，中国飞机强度研究所一室研 究员 ，清 华大学博士 ，主要从事飞机 １４． 结构疲 劳断裂和可靠性研 究。
Ｔ ｌ ２ ．８ １６ ３转 ８ １ ｅ：０ ９８ ２ ３ ２ ４０
（ 上接第 ２ 页） ６
４ 结论
本次试验严格按国家标准 Ｇ ４ ６．４《 Ｂ １１ ８ 金属材料平面应变断裂韧度 Ｋｃ １试验方法》进行 结果满足标准提 出的有效性要求，试验数据有效。该号热处理涂层使 Ｄ×钢 的 Ｋｃ提高了 １
式中：Ｋｃ ｌ ——材料阻止 Ｉ 型裂纹失稳扩展能力的度量，称为 Ｉ 型平面应变断裂韧性 ，通 过标准试验方法测 。 老一辈的科技工作者对航 空上常用 的铝合金材料进行了大量的断裂韧性试验 ，得到了很 多宝贵的数据 ，但对高强度钢的断裂韧性的了解还很不够。 本文对新材料 Ｄ 钢锻件 的 Ｋ 三点弯 曲 × ｚ ｃ 试样进行试验 ，测试 Ｄ 钢锻件的断裂韧性 Ｋ ，并 × 研究热处理保护涂层对 Ｄ 钢锻件 Ｋ 的影响。 × ｃ ２ 应力强度因子表达式
表 １ Ｄ 钢锻件 Ｋ 试验 断口裂纹尺寸与结果 × ， 。
＿● ＿一
矗
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ｌ
］Ｉ
彳 皇 ．
ｌ Ｉｌ『
ｌ● ，■ Ｉ
图 ３ 刀口粘贴示意图
图 ４ 裂纹长度测量示意图
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子的概念出发， 建立 了裂纹是否会失稳扩展也就是结构发生脆性断裂的准则 ， 该准则称为 Ｋ 准
则或 Ｋ 判据 ， 即当裂纹尖应力强度因子值 Ｋ 达到某一材料允许的应力强度 因子临界值时， 裂纹 开始失稳扩展而导致发生脆性断裂。
对 Ｉ型裂 纹 ，Ｋ准 则表 示为 ：
Ｋ＜ ｚ ＩＫｃ （） １
度 Ｏ０ 值 ， 具体 做法 如 图 ５所 示 。 ：
ｔ 皇 、 ０ ’１ ： 躺 ０ ｛ ｊ 为 ｊ Ｊ 没有涂 ｆ
有涂层
纠． ｏ０ ＝１ ６ ． Ｍ ａ ： ２ ２ ５６ Ｐ ｌ
０ｂ １ ５ ． Ｍ ａ ５４ ６Ｐ ＝
０ｂ １ ２ ． Ｍ ａ ６ ５８Ｐ －
３ 崔振源等编著．断裂韧性测试原理和方法．上海科学技术出版社。 ８ １０ ９
作者简介：李仲 （９４）男 ，湖北 人，中国飞机强度研 究所一室高工 ，西北工业大 学博士研 究生 ，主要从 １６－ 事耐久性与损伤 容限研究 。
Ｔ ｌ ２ ．８ １ ６ ３转 ８ １ ｅ：０ ９８ ２ ３ ２ ４３
（ ）Ｐ Ｐ ２ … 根据国家标准 Ｇ ４ ６－４《 Ｂ １１８ 金属材料平面应变断裂韧度 Ｋ 试验方法》进 ｃ
行 确定 ，对 大部 分试 件 Ｐ Ｐ 只 有试 件 Ｑ ￣ ３ ．／ １１ ： ， １ Ｑ ，Ｐ ，Ｐ＜ ． ； （ ）没有 涂层 （Ｌ ３ Ｚ ）组 ： ０ ：１６ ． Ｐ ２５ ６Ｍ ａ
理涂层对材料 Ｄ 钢 断裂 韧性 Ｋ 没有 明显的影响 。 × 关键词 ：平面应 变；断裂韧 性；标准试验；热处理涂层 ；应力强度 因子
１ 引言
随着工业的发展，高强度钢结构、大型锻件和焊接结构的广泛使用 ，工程结构频繁地发生 意外的脆性断裂。 大量的调查研究发现脆性断裂时工作应力远低于材料的屈服点， 明不能用 表 传统的材料力学强度设计来解释这些事故。 断裂力学 以结构 内存在缺陷为前提， 从应力强度 因
（ ｉ ）组 ： ００＝１ ３ ． Ｍ ａ ２ ３ ８０ Ｐ ｌ
３ Ｄ× ． ２ 钢锻什试样的 Ｋｃ Ｉ三点弯 曲试验
Ｄ 钢试 验 件 ｊ何如 图 ２所 示 。试 件 编号 为 Ｑ ￣Ｑ × Ｌ Ｉ ６和 Ｑ Ｉ Ｑ６ Ｔ ￣ Ｔ ，Ｔ为 有涂 层试 件 。试验
前， 在裂纹切 口顶端至试件无缺 口边， 沿着预期的裂纹扩展线 ， 在三个位置上测量试件厚度 ， 取其平均值 作为试件厚度 Ｂ 。在缺 口附近的三个位置上测量试件宽度取其平均值作为试件宽 度Ｗ 。按国家标准 Ｇ／ ４ ６－ ４《 Ｂ Ｔ １ １８ 金属材料平面应变断裂韧度 Ｋ 试验方法》 ｚ ｃ ，跨距 Ｓ为 ４ ， ｗ 实际 ｓ １ｍ 。 １２ｍ 试验前，在裂纹切 口边粘贴一对精加工的刀 口，用来支持引伸计并作为测量 裂纹嘴张开位移的参考点 ，刀 １粘贴的示意图如图 ４ ２ 所示。试验温度和湿度为实验室温度和
测试验件的宽度 （ 和厚度 （） Ｂ） ｔ，选其中截面积最小者 。试验件几何如图 １ 所示 ， 试验件编 号分别为 Ｚ １ Ｉ Ｌ ￣ＺＡ，Ｚ Ｌ ￣Ｚ Ｌ ，其中 Ｔ表示有保护涂层的试验件。Ｚ 组和 Ｚ Ｌ组各 Ｔ １ Ｔ４ Ｌ Ｔ 选３ 个试件。试验温度和湿度为实验室温度和湿度 。试验采用位移控制 ，加载速率为 ２ ． ５毫
因此 ａ ， ＞ ２ ５ （Ｑ ２。 Ｂ ． × Ｋ ／００） ｌ
结果满足标准提出的有效性要求，试验数据有效，测得 的 Ｋ值即为 Ｋ 。Ｋ 平均值为： ｃ ｃ
没有涂层 （ ）组 ：Ｋ： ６ １ Ｐ ４ Ｑ ７．７Ｍａ ｍ 有涂层 （Ｔ Ｑ ）组 ：Ｋ： ８ １ Ｐ ４ ７．７Ｍａ ｍ
（ 上接第 ３ ２页） 参考文献
Ｍ Ｇ ｅ ｙ ． ． ｕ ｍ ｒ ｏ ， Ｔ Ｊ ａ ｄＡ ｏ ，Ｗ Ｈ ，“ ｔ ｏ ｐ ｅ ｉ ｘ ｏ ｕ ｅｏ ｏ ｆ ｒ ｏ ｓ ｅ ａ ｓ ｎ ｏ ａ ｒ 。Ｆ Ｌ 。Ｓ ｍ ｅ ｓ ｎ ． ． ｎ ｉ ｒ ． ． Ａ ｍ ｓ ｈ ｒ ｃＥ ｐ ｓ ｒ ｆＮ ｎ ｅ ｒ ｕ Ｍ ｔ ｌ ｄ ｌ ａ
图 ５ 试 样 Ｚ １应力应 变 曲线 Ｌ
计算 ｌ 平均值为： （ ０
没有涂层 （ Ｑ）组：Ｋ ＝ ６ ７ ａ√ ｑ ７． １ ＭＰ ｍ 有涂层 （ Ｔ）组 ：ｌ ＝７ ．７ＭＰ ￣ｍ Ｑ ＜ ８１ ａ ／ ａ
・
有效性校核
根据 表 ｌ的试验 结 果可 得 到 ：
（ ）疲劳裂纹的长度 ａ、 和 中任意两个之差不大于 ａ的 １％ ａ或 ａ与 ａ １ 。 ０， ｓ 之差不 大于 ａ的 １％ ａ与 ａ之差不大于 ａ的 １％ ． ５ ＜＜ ．５ ； ０， ｌ ５ ０ ，０４ Ｗ ａＯ ５Ｗ
×１ ｏ ｏ ％ ２６ ．％
（ 转 第 ７页） 下
两组 Ｋ 的误差比较： ， ｃ
． ２ ６ ．
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参考文献
１ 民机结构耐久性与损伤 容限设计手册． 民机结构耐久性与损伤容限设计手册编委会。 空工业 出版社， ｏ 航 ２ ３ ｏ ２ 杨玉恭． 可靠性寿命随 Ｄ Ｒ变 化的规律 ，结构强度研究（ ， ９ Ｆ １１ ８ ）９