(10)申请公布号 CN 102353595 A (43)申请公布日 2012.02.15
C N 102353595 A
*CN102353595A*
(21)申请号 201110184603.8(22)申请日 2011.07.01
G01N 3/20(2006.01)
(71)申请人华东理工大学
地址200237 上海市徐汇区梅陇路130号(72)发明人王海涛 王国珍 轩福贞 刘长军
涂善东(74)专利代理机构上海智信专利代理有限公司
31002
代理人
邓琪(54)发明名称
一种高韧性材料J-R 阻力曲线的测试方法(57)摘要 本发明涉及一种高韧性材料J-R 阻力曲线的测试方法，它包括以下步骤：试样加工、三点弯曲试验、裂纹长度的测定、每一载荷下的J 积分计算、差值函数的建立、裂纹长度与p-V 数据对的递推计算以及J-R 阻力曲线的构建。本发明不采用引伸计测试裂纹嘴张开位移及卸载柔度，而是通过试验机直接采集三点弯曲试样的变形和断裂全过程的载荷-位移曲线，而后通过一系列的计算得到材料的J-R 阻力曲线，从而有效地克服了高韧性材料测试中试样大变形所带来的测试仪器的限制，可测得长尺寸裂纹扩展下的J-R 阻力曲线，并可用于不同温度和不同尺寸试样的J-R 阻力曲线测量。(51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
权利要求书 4 页 说明书 12 页 附图 6 页
1.一种高韧性材料J-R 阻力曲线的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
步骤S1，将待测试的高韧性材料加工成三点弯曲试样，对该试样加工一缺口，并预制疲劳裂纹；
步骤S2，测得在对所述试样加载和裂纹稳定扩展过程直至最后断裂的载荷p 与加载点位移V 的关系曲线，即p-V 曲线，并测得最终断裂或停机载荷p f ；
步骤S3，通过九分法计算得到所述试样断裂后断口的初始裂纹长度a 0和最终裂纹扩展长度a f ；
步骤S4，根据初始裂纹长度a 0及所述p-V 曲线测得若干个载荷点p i ，通过J 积分基本测试法计算得到每个载荷p i 下的修正应力强度因子K i 和修正J 积分J i ；
步骤S5，根据初始裂纹长度a 0及修正J 积分J i 得到修正的裂纹长度a b(i)；将所述p-V 曲线上的最终断裂或停机载荷p f 的p-V 数据对(p f ，V f )标称化为锚点数组(P N(f)，V pl(f))，将最大载荷p max 之前，且不包括最大载荷p max 的所有p-V 数据对(p i ，V i )标称化为标称p-V 数组(P N(i)，V pl(i))；将标称位移V pl(i)＞0.001的标称p-V 数组(P N(i)，V pl(i))及锚点数组(P N(f)，V pl(f))进行曲线拟合后建立差值函数
步骤S6，根据所述初始裂纹长度a 0和最终裂纹扩展长度a f ，将裂纹长度划分为若干
个不同的长度段a 0、a 0+Δ、a 0+2Δ、a 0+3Δ......a f ，并对任一长度段标记为
其中，取
将初始裂纹长度
代入所述差值函数
在标称位移V pl(i)＞0.002处将p-V 数据对
(p i ，V i )依次代入所述差值函数当含有裂纹长度及p-V 数据对(p i ，V i )的差值函数变化
率小于等于1％时，则判定此时p-V 数据对(p i ，
V i )即是对应初始裂纹长度的p-V 数据对
同理，将裂纹长度及p-V 数据对
之后的p-V 数据对(p i ，V i )依次代入
所述差值函数
当差值函数变化率小于等于1％，得到对应裂纹长度
的p-V 数据对
依次类推，得到与裂纹长度相对应的p-V 数据对
其中，要求p-V 数据对
为最终p-V 数据对(p f ，V f )；当裂纹长度与最终p-V 数据对(p f ，V f )不满足差值函数变化率小于等于1％时，调整
裂纹长度之前的与裂纹长度对应的p-V 数对并要求裂纹长度之前的裂
纹长度与相应p-V 数据对在满足差值函数变化率小于等于1％的前提下，使得最终p-V 数对
(p f ，V f )与裂纹长度差值函数变化率小于等于1％；
步骤S7，通过公式计算得到裂纹扩展量
通过阻力曲线测试法中的J
积分计算公式计算得到每个载荷p i 下对应裂纹扩展量
的J 积分
并以裂纹扩展量
为横坐标，J 积分
为纵坐标，将所有的数据对
描在坐标图上，并光滑连接在一
起，即得到材料J-R 阻力曲线。
2.根据权利要求1所述的高韧性材料J-R 阻力曲线的测试方法，其特征在于，所述步
骤S1还包括定义所述试样高度为W ，试样宽度为B ，试样跨距S ＝4W ，所述缺口与疲劳裂纹的总深度，即初始裂纹长度为a 0。
3.根据权利要求1所述的高韧性材料J-R 阻力曲线的测试方法，其特征在于，所述步骤S2中的p-V 曲线通过对所述试样进行三点弯曲加载试验测得。
4.根据权利要求1所述的高韧性材料J-R 阻力曲线的测试方法，其特征在于，所述步骤S3包括测量所述试样断裂后断口的裂纹初始长度a 01、a 02、a 03……a 09，以及最终稳定扩展长度a f1、a f2、a f3………a f9，并按式(1)和式(2)分别计算得到初始裂纹长度a 0和最终裂纹扩展长度a f ，
5.根据权利要求1所述的高韧性材料J-R 阻力曲线的测试方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
首先，通过式(3)和式(4)计算得到修正应力强度因子K i ，此时a i 取初始裂纹长度a 0，
然后，通过式(5)、式(6)和式(7)计算得到修正J 积分J i ，
在式(3)至式(7)中，取a i ＝a 0，S 为试样跨距，W 为试样高度，B 为试样宽度，B N 为试样有效厚度，取b 0＝(W-a 0)为试样初始韧带长度，E 为材料的弹性模量，v 为材料的泊松比，A tot(i)为对应载荷p i 时p-V 曲线下包围的总面积，tg α为p-V 曲线初始弹性段对应的直线斜率，A pl(i)为对应载荷p i 时p-V 曲线包围的塑性部分面积，J pl(i)为对应载荷p i 时p-V 曲线塑性部分的J 积分，η为参数。
6.根据权利要求1所述的高韧性材料J-R 阻力曲线的测试方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
首先，通过式(8)计算得到修正的裂纹长度a b(i)，
其中，J i 为修正J 积分，σf 为流动应力，其值取为σf ＝(σy +σu )/2，σy 和σu 分别为材料的屈服强度和抗拉强度；
其次，对最大载荷p max 之前，且不包括最大载荷p max 的载荷p i 通过式(9)计算得到标称载荷P N(i)，
其中，W 为试样高度，B 为试样宽度，η为参数；再次，对最大载荷p max 之前，且不包括最大载荷p max 的载荷p i 对应的位移V i 按照式(10)、式(11)和式(12)计算得到标称位移V pl(i)，
在式(10)至式(12)中，取a i ＝a b(i)，B N 为试样有效厚度，E 为材料的弹性模量，C i 为对应载荷p i 时的卸载柔度；
同理，通过将最终裂纹扩展长度a f 替代式(9)中的a b(i)，计算得到最终载荷P N(f)；通过将最终裂纹扩展长度a f 替代式(10)中的a i ，并根据式(11)和式(12)计算得到最终位移V pl(f)；
然后，将标称p-V 数组(P N(i)，V pl(i))及锚点数组(P N(f)，V pl(f))按式(13)进行曲线拟合，
其中，c 1、c 2、c 3、c 4为相应的拟合系数；最后，建立由式(14)表示的差值函数
7.根据权利要求5和6所述的高韧性材料J-R 阻力曲线的测试方法，其特征在于，所
述步骤S7中的J 积分通过将式(3)、式(4)、式(10)、式(11)、式(12)以及式(15)至式(18)代入式(5)中计算得到，
其中：取b i-1＝W-a i-1，对应的J pl(i)取为零；
8.根据权利要求7所述的高韧性材料J-R阻力曲线的测试方法，其特征在于，当所述试
样加工有侧槽时，则B
N 为去除侧槽厚度的试样有效厚度，否则，B
N
＝B。
9.根据权利要求7所述的高韧性材料J-R阻力曲线的测试方法，其特征在于，所述式
(6)中的参数η通过取a
i ＝a
代入式(17)中计算得到。
10.根据权利要求7所述的高韧性材料J-R阻力曲线的测试方法，其特征在于，所述式
(9)中的参数η通过取a
i ＝a
b(i)
代入式(17)中计算得到。
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