專利名稱：一種評價延性金屬材料撕裂韌性的方法
技術領域：
本發明涉及材料的力學性能評價與表征領域，具體為一種評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，利用三腿褲形撕裂的方式，定義撕裂韌性來表征材料抵抗裂紋擴展阻力的大
背景技術：
延性金屬材料的力學性能多由單向加載的拉伸試驗來測得，然而材料在擁有高強度的同時也伴隨著塑性的缺失，強度與塑性之間的這種倒置關系給工程選材造成了巨大困擾，如何更好地做到強韌配合成為問題的關鍵所在，這對材料力學性能的評價提出了更全面的要求。另一方面，高強度或脆性金屬的斷裂過程普遍采用斷裂韌性(Kre)來表征，但對于延性金屬來說，斷裂過程更為復雜。并且，金屬薄板材料不符合傳統的斷裂韌性試樣要求，斷裂韌性的概念不再適用于此。如何表征延性材料的斷裂功或者抵抗裂紋擴展能力的大小具有重要意義，開創一種新的評價材料力學性能的方法十分必要。目前，除了常用的幾種力學性能測試方法以外，還有一種稱作撕裂試驗的方法，由于其加載方式、試樣形狀的不同而形式多樣，相應地也提出了一系列的性能參數，但是這些參數并不能真正解決實際應用中出現的問題。因此，有必要開發一種新的方法，提煉出新的概念來表征延性材料的韌性或裂紋擴展抵抗力的大小，用以定量評價延性金屬材料的韌性。
發明內容
本發明的目的在于提供一種評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，解決延性金屬材料撕裂韌性的表征等問題，定義撕裂韌性的概念。本發明的技術方案是一種評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，利用對撕裂試樣進行撕裂試驗的方式， 得到撕裂過程中的外加載荷-位移曲線，定義撕裂韌性的概念來表征延性材料的韌性或裂紋擴展抵抗力的大小。所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，撕裂試樣的一端沿長度方向平行切割兩條缺口，出現缺口中間部分和缺口兩邊部分，形成三腿褲形撕裂試樣；撕裂過程中裂紋擴展單位面積所需要的能量，稱為撕裂韌性，用來表征材料在撕裂過程中抵抗裂紋穩定擴展的阻力大小。所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，對于三腿褲形撕裂試樣，撕裂韌性Y 用公式Y =Fs/2t來表示，單位為KJ/m2;其中，Fs為外加的穩定載荷，單位為N;t為試樣厚度，單位為mm。所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，將試樣缺口中間部分和缺口兩邊部分分開來，分別向相反的方向折疊90°，形成撕裂試樣在裝載夾持前的形狀。所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，撕裂試樣的材料為延性金屬材料。
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所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，延性金屬材料為銅、銅合金、鋁或低碳鋼。所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，銅合金為鈹青銅。所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，低碳鋼為20鋼。本發明的有益效果是1、本發明通過撕裂試驗的進行，找到適當的加載方式，使延性金屬在單向加載的外力作用下進行撕裂裂紋的穩定擴展，進而得到在撕裂過程中外力保持穩定的撕裂載荷-位移曲線，為撕裂韌性概念的提出提供強有力的試驗基礎，用以評價延性金屬材料的韌性或裂紋擴展抵抗力的大小。2、本發明利用三腿褲形撕裂的方式，定義撕裂韌性的概念，表征延性材料的韌性或裂紋擴展抵抗力的大小，更好地完善材料力學性能的評價測試方法，使其更好地服務于工程應用中。
圖1為進行撕裂試驗的試樣形狀及尺寸；其中，試樣的缺口寬度和長度是可以變化的。圖2為撕裂試樣在裝載夾持前的形狀。圖3為20鋼不同溫度熱處理后撕裂試樣的載荷-位移曲線。其中，A為原始的冷軋態，其余B、C、D、E試樣均是在920 V淬火后，分別在200 V、400 V、600 V、700°C回火2小時所得。圖4為材料在撕裂載荷作用下的載荷-位移示意圖。圖5為20鋼的延伸率、撕裂韌性與拉伸強度之間的關系圖。圖6為鋁、銅與合金、20鋼的撕裂韌性與強度之間的關系圖。
具體實施例方式本發明為評價延性金屬材料撕裂韌性的新方法，利用三腿撕裂試驗的方式，定義了撕裂韌性的概念來表征延性材料的韌性或裂紋擴展阻力的大小，包括如下步驟(1)撕裂試樣的準備如圖1所示，將試樣的一端沿長度方向平行切割出兩條缺口，形成缺口中間部分2 和缺口兩邊部分3，即三腿褲形撕裂試樣。如圖2所示，為了使試樣裝夾在試驗機上，將試樣缺口中間部分2和缺口兩邊部分 3分開來，分別向相反的方向折疊90°，形成撕裂試樣在裝載夾持前的形狀，隨著試樣缺口 1寬度的不斷增加，撕裂裂紋由匯聚型逐漸過渡為發散型擴展。(2)撕裂韌性的定義如圖3所示，在材料的撕裂過程中，當裂紋進入擴展階段，撕裂載荷基本維持不變，那么在撕裂單位面積裂紋所需要的能量也能恒定(如圖4)，根據這一點，定義新的參數，即撕裂韌性(Y)，用來表征材料在撕裂過程中抵抗裂紋穩定擴展的阻力大小。對于三腿褲形撕裂試樣，撕裂韌性可以用公式
權利要求
1.一種評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，其特征在于利用對撕裂試樣進行撕裂試驗的方式，得到撕裂過程中的外加載荷-位移曲線，定義撕裂韌性的概念來表征延性材料的韌性或裂紋擴展抵抗力的大小。
2.根據權利要求1所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，其特征在于撕裂試樣的一端沿長度方向平行切割兩條缺口，出現缺口中間部分和缺口兩邊部分，形成三腿褲形撕裂試樣；撕裂過程中裂紋擴展單位面積所需要的能量，稱為撕裂韌性，用來表征材料在撕裂過程中抵抗裂紋穩定擴展的阻力大小。
3.根據權利要求2所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，其特征在于對于三腿褲形撕裂試樣，撕裂韌性Y用公式Y =Fs/2t來表示，單位為KJ/m2;其中，Fs為外加的穩定載荷，單位為N ；t為試樣厚度，單位為mm。
4.根據權利要求2所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，其特征在于將試樣缺口中間部分和缺口兩邊部分分開來，分別向相反的方向折疊90°，形成撕裂試樣在裝載夾持前的形狀。
5.根據權利要求1所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，其特征在于撕裂試樣的材料為延性金屬材料。
6.根據權利要求5所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，其特征在于延性金屬材料為銅、銅合金、鋁或低碳鋼。
7.根據權利要求6所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，其特征在于銅合金為鈹青銅。
8.根據權利要求6所述的評價延性金屬材料撕裂韌性的方法，其特征在于低碳鋼為 20鋼。
全文摘要
本發明涉及材料的力學性能評價與表征領域，具體為一種評價延性金屬材料撕裂韌性的方法。利用三腿褲形試樣進行延性金屬材料的撕裂試驗，得到撕裂過程中的外加載荷維持不變這一特征，為撕裂韌性這一概念的提出提供強有力的試驗基礎，從而得到定義撕裂韌性γ＝FS/2t，用以評價延性材料的韌性或裂紋擴展抵抗力的大小。撕裂試驗的方法和撕裂韌性概念的提出，對于認識材料強度和塑性(韌性)之間的倒置關系提供了行之有效的思路，為實際工程選擇具有更好強度與塑性配合的材料提供了新的參考判據。對于延性金屬薄板而言，裂紋擴展過程、斷裂過程可以更為準確地采用撕裂韌性來描述，對于工程應用及材料力學性能評價與表征具有十分重要的意義。
文檔編號G01N3/08GK102374951SQ20101025057
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月11日 優先權日2010年8月11日
發明者張哲峰, 李翠紅 申請人:中國科學院金屬研究所