一种评价延性金属材料撕裂韧性的方法

摘要

本发明涉及材料的力学性能评价与表征领域，具体为一种评价延性金属材料撕裂韧性的方法。利用三腿裤形试样进行延性金属材料的撕裂试验，得到撕裂过程中的外加载荷维持不变这一特征，为撕裂韧性这一概念的提出提供强有力的试验基础，从而得到定义撕裂韧性γ＝F

说明书

技术领域

本发明涉及材料的力学性能评价与表征领域，具体为一种评价延性金属材料 撕裂韧性的方法，利用三腿裤形撕裂的方式，定义撕裂韧性来表征材料抵抗裂纹 扩展阻力的大小。

背景技术

延性金属材料的力学性能多由单向加载的拉伸试验来测得，然而材料在拥有 高强度的同时也伴随着塑性的缺失，强度与塑性之间的这种倒置关系给工程选材 造成了巨大困扰，如何更好地做到强韧配合成为问题的关键所在，这对材料力学 性能的评价提出了更全面的要求。另一方面，高强度或脆性金属的断裂过程普遍 采用断裂韧性(K_IC)来表征，但对于延性金属来说，断裂过程更为复杂。并且， 金属薄板材料不符合传统的断裂韧性试样要求，断裂韧性的概念不再适用于此。 如何表征延性材料的断裂功或者抵抗裂纹扩展能力的大小具有重要意义，开创一 种新的评价材料力学性能的方法十分必要。

目前，除了常用的几种力学性能测试方法以外，还有一种称作撕裂试验的方 法，由于其加载方式、试样形状的不同而形式多样，相应地也提出了一系列的性 能参数，但是这些参数并不能真正解决实际应用中出现的问题。因此，有必要开 发一种新的方法，提炼出新的概念来表征延性材料的韧性或裂纹扩展抵抗力的大 小，用以定量评价延性金属材料的韧性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种评价延性金属材料撕裂韧性的方法，解决延性金 属材料撕裂韧性的表征等问题，定义撕裂韧性的概念。

本发明的技术方案是：

一种评价延性金属材料撕裂韧性的方法，利用对撕裂试样进行撕裂试验的方 式，得到撕裂过程中的外加载荷-位移曲线，定义撕裂韧性的概念来表征延性材 料的韧性或裂纹扩展抵抗力的大小。

所述的评价延性金属材料撕裂韧性的方法，撕裂试样的一端沿长度方向平行 切割两条缺口，出现缺口中间部分和缺口两边部分，形成三腿裤形撕裂试样；撕 裂过程中裂纹扩展单位面积所需要的能量，称为撕裂韧性，用来表征材料在撕裂 过程中抵抗裂纹稳定扩展的阻力大小。

所述的评价延性金属材料撕裂韧性的方法，对于三腿裤形撕裂试样，撕裂韧 性γ用公式γ＝F_S/2t来表示，单位为KJ/m²；其中，F_s为外加的稳定载荷，单 位为N；t为试样厚度，单位为mm。

所述的评价延性金属材料撕裂韧性的方法，将试样缺口中间部分和缺口两边 部分分开来，分别向相反的方向折叠90°，形成撕裂试样在装载夹持前的形状。

所述的评价延性金属材料撕裂韧性的方法，撕裂试样的材料为延性金属材料。

所述的评价延性金属材料撕裂韧性的方法，延性金属材料为铜、铜合金、铝 或低碳钢。

所述的评价延性金属材料撕裂韧性的方法，铜合金为铍青铜。

所述的评价延性金属材料撕裂韧性的方法，低碳钢为20钢。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过撕裂试验的进行，找到适当的加载方式，使延性金属在单向加 载的外力作用下进行撕裂裂纹的稳定扩展，进而得到在撕裂过程中外力保持稳定 的撕裂载荷-位移曲线，为撕裂韧性概念的提出提供强有力的试验基础，用以评 价延性金属材料的韧性或裂纹扩展抵抗力的大小。

2、本发明利用三腿裤形撕裂的方式，定义撕裂韧性的概念，表征延性材料的 韧性或裂纹扩展抵抗力的大小，更好地完善材料力学性能的评价测试方法，使其 更好地服务于工程应用中。

附图说明

图1为进行撕裂试验的试样形状及尺寸；其中，试样的缺口宽度和长度是可 以变化的。

图2为撕裂试样在装载夹持前的形状。

图3为20钢不同温度热处理后撕裂试样的载荷-位移曲线。其中，A为原始 的冷轧态，其余B、C、D、E试样均是在920℃淬火后，分别在200℃、400℃、 600℃、700℃回火2小时所得。

图4为材料在撕裂载荷作用下的载荷-位移示意图。

图5为20钢的延伸率、撕裂韧性与拉伸强度之间的关系图。

图6为铝、铜与合金、20钢的撕裂韧性与强度之间的关系图。

具体实施方式

本发明为评价延性金属材料撕裂韧性的新方法，利用三腿撕裂试验的方式， 定义了撕裂韧性的概念来表征延性材料的韧性或裂纹扩展阻力的大小，包括如下 步骤：

(1)撕裂试样的准备

如图1所示，将试样的一端沿长度方向平行切割出两条缺口，形成缺口中间 部分2和缺口两边部分3，即三腿裤形撕裂试样。

如图2所示，为了使试样装夹在试验机上，将试样缺口中间部分2和缺口两 边部分3分开来，分别向相反的方向折叠90°，形成撕裂试样在装载夹持前的形 状，随着试样缺口1宽度的不断增加，撕裂裂纹由汇聚型逐渐过渡为发散型扩展。

(2)撕裂韧性的定义

如图3所示，在材料的撕裂过程中，当裂纹进入扩展阶段，撕裂载荷基本维 持不变，那么在撕裂单位面积裂纹所需要的能量也能恒定(如图4)，根据这一点， 定义新的参数，即：撕裂韧性(γ)，用来表征材料在撕裂过程中抵抗裂纹稳定扩 展的阻力大小。对于三腿裤形撕裂试样，撕裂韧性可以用公式：

$\gamma =\frac{W}{2A}=\frac{F_{s}l}{2\mathrm{tl}}=\frac{F_s}{2t}---\left(1\right)$

表示，单位为KJ/m²。其中，

W-作用在扩展裂纹上的总功，单位为KJ；

A-扩展裂纹的总面积，单位为m²；

2-每一个撕裂试样有两条裂纹；

F_s-外加的稳定载荷，单位为N；

l-撕裂裂纹的扩展距离，单位为m；

t-试样厚度，单位为mm。

在撕裂韧性的计算过程中，也可以表示为：

$\gamma =\frac{{\int }_0^l\frac{F_s}{2t}\mathrm{dx}}{l}---\left(2\right)$

实施例1

材料准备：将3mm厚的冷轧20钢板沿轧制方向切成40mm×20mm×0.5mm 的薄片，在薄片的长度方向切出两条平行缺口，缺口宽度分别为8mm、12mm， 缺口长度分别为20mm(图1-2)；将3mm厚的冷轧20钢板沿轧制方向切成标距 部分尺寸为16mm×3mm×3mm的拉伸试样。

热处理：部分试样在920℃进行淬火处理，再分别在200℃、400℃、600℃、 700℃回火2小时，打磨试样并进行抛光处理；

性能测试：

将不同温度热处理后的拉伸样品进行拉伸试验，试验结果如图5所示。

将准备好的撕裂试样(缺口宽度8mm)装夹到试验机，进行撕裂试验，得 到撕裂过程中的外加载荷-位移曲线，如图4所示。根据所得载荷-位移曲线， 利用撕裂韧性的定义γ＝F_S/2t以及计算公式(2)来计算不同热处理条件下20 钢的撕裂韧性值，如图5所示。

本实施例中，A试样(原始冷轧态)撕裂韧性计算过程如下：

截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计算过程中，选 用公式(2)，得到0.5mm厚冷轧态20钢的撕裂韧性为226.4KJ/m²。

本实施例中，在920℃淬火后，B试样(200℃回火2小时)的撕裂韧性γ 计算过程如下：

如图3所示，截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计 算过程中，选用公式(2)，得到0.5mm厚冷轧态20钢板200℃回火后的撕裂韧 性为297.0KJ/m²。

本实施例中，在920℃淬火后，C试样(400℃回火2小时)的撕裂韧性γ 计算过程如下：

如图3所示，截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计 算过程中，选用公式(2)，得到0.5mm厚冷轧态20钢板400℃回火后的撕裂韧 性为318.2KJ/m²。

本实施例中，在920℃淬火后，D试样(600℃回火2小时)的撕裂韧性γ 计算过程如下：

如图3所示，截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计 算过程中，选用公式(2)，得到0.5mm厚冷轧态20钢板600℃回火后的撕裂韧 性为289.2KJ/m²。

本实施例中，在920℃淬火后，E试样(700℃回火2小时)的撕裂韧性γ 计算过程如下：

如图3所示，截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计 算过程中，选用公式(2)，得到0.5mm厚冷轧态20钢板700℃回火后的撕裂韧 性为259.4KJ/m²。

实施例2

材料准备：将0.5mm厚冷轧铝薄板沿轧制方向切成40mm×20mm的薄片， 在薄片的长度方向切出两条平行缺口(即三腿裤形撕裂试样)，缺口宽度分别为8 mm、10mm、12mm，缺口长度分别为20mm(图1-2)，打磨撕裂试样并进行机 械抛光；

将准备好的撕裂试样(缺口宽度8mm)装夹到试验机，进行撕裂试验，得 到撕裂过程中的外加载荷-位移曲线。根据所得载荷-位移曲线，利用撕裂韧性 γ的定义γ＝F_S/2t来计算材料的撕裂韧性。

本实施例中，撕裂韧性γ的具体计算过程如下：

截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计算过程中，选 用公式(2)，得到0.5mm厚冷轧铝薄板的撕裂韧性为70.4KJ/m²，结果如图6所 示。

实施例3

材料准备：将0.5mm厚冷轧铜薄板沿轧制方向切成40mm×20mm的薄片， 在薄片的长度方向切出两条平行缺口，缺口宽度分别为8mm、10mm、12mm， 缺口长度分别为20mm(图1-2)，打磨撕裂试样并进行机械抛光；

将准备好的撕裂试样装夹到试验机，进行撕裂试验，得到撕裂过程中的外加 载荷-位移曲线。根据所得载荷-位移曲线，利用撕裂韧性γ的定义γ＝F_S/2t来 计算材料的撕裂韧性。

本实施例中，缺口宽度8mm撕裂韧性γ计算过程如下：

截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计算过程中，选 用公式(2)，得到0.5mm厚冷轧铜薄板的撕裂韧性为139.6KJ/m²。

实施例4

材料准备：将4mm厚的冷轧铜板沿轧制方向切成40mm×20mm×0.5mm的 薄片，在薄片的长度方向切出两条平行缺口，缺口宽度分别为8mm、10mm、12 mm，缺口长度分别为20mm(图1-2)。

退火：部分试样放入退火炉，分别在200℃、400℃、600℃保温2小时进 行退火处理，打磨试样并进行抛光处理；

将准备好的撕裂试样(缺口宽度8mm)装夹到试验机，进行撕裂试验，得 到撕裂过程中的外加载荷-位移曲线。根据所得载荷-位移曲线，利用撕裂韧性 γ的定义γ＝F_S/2t来计算材料的撕裂韧性，结果如图6所示。

本实施例中，冷轧态铜板撕裂韧性γ计算过程如下：

截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计算过程中，选 用公式(2)，得到0.5mm厚冷轧铜板的撕裂韧性为213.1KJ/m²。

本实施例中，冷轧态铜板200℃退火后撕裂韧性γ计算过程如下：

截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计算过程中，选 用公式(2)，得到0.5mm厚冷轧铜板200℃退火后的撕裂韧性为194.6KJ/m²。

本实施例中，冷轧态铜板400℃退火后撕裂韧性γ计算过程如下：

截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计算过程中，选 用公式(2)，得到0.5mm厚冷轧铜板400℃退火后的撕裂韧性为144.7KJ/m²。

本实施例中，冷轧态铜板600℃退火后撕裂韧性γ计算过程如下：

截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计算过程中，选 用公式(2)，得到0.5mm厚冷轧铜板600℃退火后的撕裂韧性为146.3KJ/m²。

实施例5

材料准备：将0.5mm厚热锻态铍青铜切成40mm×20mm的薄片，在薄片的 长度方向切出两条平行缺口(即三腿裤形撕裂试样)，缺口宽度分别为8mm、10 mm、12mm，缺口长度分别为20mm(图1-2)，

热处理：部分试样在780℃进行淬火处理后，并在280℃回火15min，打磨 试样并进行抛光处理；

将准备好的撕裂试样(缺口宽度8mm)装夹到试验机，进行撕裂试验，得 到撕裂过程中的外加载荷-位移曲线。根据所得载荷-位移曲线，利用撕裂韧性 γ的定义γ＝F_S/2t以及计算公式(2)来计算材料的撕裂韧性，结果如图6所示。 其中，

本实施例中，原始热锻态铍青铜的撕裂韧性计算过程如下：

截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计算过程中，选 用公式(2)，得到0.5mm厚热锻态铍青铜的撕裂韧性为147.6KJ/m²。

本实施例中，在780℃淬火后铍青铜的撕裂韧性计算过程如下：

截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计算过程中，选 用公式(2)，得到0.5mm厚淬火态铍青铜的撕裂韧性为169.8KJ/m²。

本实施例中，在780℃淬火并在280℃回火15min后铍青铜的撕裂韧性计 算过程如下：

截取撕裂载荷-位移曲线中载荷稳定的部分，在撕裂韧性的计算过程中，选 用公式(2)，得到0.5mm厚回火后铍青铜的撕裂韧性为168.4KJ/m²。

结果表明，本发明利用0.5mm厚的三腿裤形试样进行延性金属材料的撕裂 试验，得到稳定撕裂过程中的外加载荷维持不变这一特征，为撕裂韧性这一概念 的提出提供强有力的试验基础，从而可以定义撕裂韧性γ＝F_S/2t这一概念，用 以评价延性金属材料的韧性或裂纹扩展阻力的大小。撕裂试验的方法和撕裂韧性 概念的提出，对于认识延性金属材料强度和塑性(韧性)之间的倒置关系提供了 行之有效的思路，为实际工程选择具有更好强度与塑性配合的金属材料提供了新 的参考判据。对于延性金属薄板而言，裂纹扩展过程、断裂过程可以更为准确地 采用撕裂韧性来描述。这一试验方法的开创及应用推广，对于工程应用及材料力 学性能评价与表征具有十分重要的意义。