1、第 卷第 期 实 验 力 学 Vol. No. 年 月 JOURNAL OF EXPERIMENTAL MECHANICS 685 均 质 钢 静 动 态 断 裂 韧 性 实 验 研 究 *崔新忠 1，2 ， 范亚夫 1,2 ，陈 捷 2（1.装甲与反装甲材料技术国防科技重点实验室，烟台 264003；2. 中国兵器工业集团第五二研究所，烟台 264003) 摘 要 ：测得了 685 均质钢的平面应变断裂韧性值。借助断口和金相观察发现，685 均质钢中存在的少量孪晶马氏体组织对其断裂韧性造成了不利影响。碳是强烈促进形成孪晶马氏体的元素，可以适当降低碳含量来改善 685 均质钢的断裂韧性性能。基
2、于改进的 Hopkinson 杆装置测试了 685 均质钢的动态断裂韧性值。当加载率 时 685 均质钢的动态断裂韧性值都随加载率的增加而下61.870/IKMPams降。当加载率 时由于裂纹尖端热软化效应的影响使得该材料的动态断裂韧性值6./I又上升。借助高速摄影记录了动态断裂韧性实验中试样从起裂到断裂的整个过程。并根据实时拍摄的图像用裂纹嘴张开位移（Crack Mouth Opening Displacement，CMOD）法对其动态断裂韧性值进行了计算。获得了起裂后裂纹的扩展速率。发现基于高速摄影图像用裂纹嘴张开位移法计算得到的动态断裂韧性值与用电阻应变片计算的结果相一致。关键词：685
3、钢；Hopkinson杆；动态断裂韧性；加载率中 图 分 类 号 ： o346.1； o347.1 文 献 标 识 码 ： A0 引言断裂韧性作为材料重要的力学参量之一，其值会随加载率和温度的不同而改变。人们采用冲击试验机、示波试验机以及改进的 Hopkinson 杆装置等研究了多种材料如陶瓷 1、复合材料 2、45#钢 3、40Cr4、岩石 5, 6等的动态断裂韧性。不同材料的动态断裂韧性与加载率的关系，有的随加载率增加而增大 1, 7-9；有的随加载率的增加而下降 2；有的随加载率增加变化复杂 10；还有的材料的动态断裂韧性不具有应变率敏感性 11。685 均质钢在使用过程中要经历高速、高
4、压、高应变率和高温的条件，因此，研究该材料在高加载率下的断裂韧性对于客观真实地评价该材料具有重要意义。本文采用三点弯曲试样研究了 685 均质钢的静、动态断裂韧性。借助金相显微镜和扫描电镜等工具研究了该材料的断裂特征随加载速率的变化。 1 实验材料及方法 试验选材为 10mm 厚 685 均质钢板材。该钢的最终热处理为淬火后低温回火。 685 均质钢的碳含量（wt%）为：0.260.31，其主要合金元素为 Mn、Cr、Ni、Mo、Si。该钢属于中碳低合金钢。钢的力学性能： ， ，AKv(-40) 16J。 图 1 为本实验所用 685 均质钢的原始金相组织。60bMPa510%685 均质钢组
5、织为回火马氏体+残余奥氏体+ 碳化物。图 1 685 均质钢原始组织金相Fig 1 Original metallograph of 685 homogeneous steel本文平面应变断裂韧性实验和动态断裂韧性实验所用的试样类型均为三点弯曲试样，三点弯曲试样的几何形状及尺寸示意如 图 2 所示。B 为试样厚度，W 为试样宽度，L 为试样长度，S 为实验时的支* 收稿日期： 收到修改稿日期： 通讯作者简介：崔新忠（1985-） ，男，硕士，工程师。主要研究领域：材料动态力学。Email: 8 实 验 力 学 ( 年)第 卷座跨距。a 为裂纹总长度。P(t)为实验所加载荷。图 2 三点弯曲试样
6、几何形状Fig 2 Geometry of three-point bend specimen静、动态断裂韧性实验所用的试样尺寸和裂纹取向均相同。试样的厚度为 B=9mm，宽度W=18mm，长度 L=82mm，在 6.5mm 长的线切割裂纹的基础上，在 Amsler 高频疲劳试验机上预制2.5mm 的疲劳裂纹，使得裂纹总长度 a 与试样宽度 W 之比 a/W 为 0.5。在试验过程中，支座跨距 S 为72mm。试样裂纹取向为 L-T 方向，即裂纹法线方向为板材纵向 (Longitudinal)，裂纹传播方向为板材横向(Transverse)。平面应变断裂韧性实验按照国标GB/T 4161-20
7、07 金属材料平面应变断裂韧度 KIC试验方法在 Instron 1251 试验机上进行，加载速率为 0.5mm/min。动 态 断 裂 韧 性 实 验 所 用 加 载 装 置 为 基 于 Hopkinson 杆 技 术 的 三 点 弯 曲 实 验 装 置 ， 该 加 载 测 试 系 统的 示 意 图 如 图 3 所 示 。 其 原 理 为 由 压 缩 空 气 以 一 定 速 度 驱 动 一 圆 柱 形 子 弹 ， 该 子 弹 撞 击 加 载 杆 并 产 生压 缩 应 力 波 ， 当 该 入 射 波 传 播 到 加 载 杆 与 试 样 界 面 处 时 ， 一 部 分 反 射 回 加 载 杆 形
8、 成 反 射 波 ， 另 一 部 分则 传 给 试 样 并 对 之 施 加 冲 击 载 荷 。 加 载 杆 上 的 应 变 片 将 记 录 入 射 波 和 反 射 波 的 应 变 脉 冲 信 号 。 试 样 上的 应 变 片 将 记 录 裂 尖 应 变 历 程 和 裂 纹 起 裂 的 信 号 ， 试 样 上 监 测 裂 纹 起 裂 的 监 裂 片 和 记 录 裂 纹 尖 端 应 变历 程 的 应 变 片 的 粘 贴 示 意 图 分 别 如 图 44 和 图 55 所 示 。 采 用 高 速 摄 影 机 对 动 态 断 裂 韧 性 实 验 进 行 实 时拍 摄 ， 高 速 摄 影 机 型 号 为
9、 Phantom v73， 选 用 的 分 辨 率 为 20864， 曝 光 时 间 为 8s。 选 用 的 拍 摄 速 率为 100000 幅 /秒 。 高 速 摄 影 所 用 光 源 为 卤 钨 灯 管 。图 3 基于分离式 Hopkinson 压杆技术的动态三点弯曲实验装置示意图Fig 3 Schematic of the modified split Hopkinson pressure bar device used for dynamic three-point bend tests图 4 试样上监裂片粘贴位置示意图Fig 4 Schematic of the position s
10、train gauge measuring the initiation of crack图 5 试样上测试裂尖应变历程的应变片粘贴位置示意图Fig 5 Schematic of the position strain gauge for strain measurement near the crack崔新忠，等：685 均质钢静动态断裂韧性实验研究动态断裂韧性实验中动态应力强度因子历史的计算采用应变片法 12，即：(1)1/24335coscosrI EtKt为距离裂尖 r 处的应变片测得的应变 -时间历程。 为应变片位置与裂纹延长线方向的夹角。rt其中 ， 。E、 分别为试样材料的弹性模
11、量及泊松比。由贴在试样上的监裂片测得裂纹5m60的起裂时间 ，与起裂时间 相对应的应力强度因子值 即为动态断裂韧性值 。ftft ()IfKt IdK由高速摄影技术获得的高速摄影图像测得裂纹嘴张开位移历程（Crack Mouth Opening Displacement） CMOD，由裂纹嘴张开位移历程 CMOD 也可得到应力强度因子历史 13：(2)0,4IMkEWah其中 是裂纹嘴张开位移 CMOD， 是试样材料的弹性模量。 ， 。在 的情况M aWS4下， 和 的表达式为：,k,h(3)233/21.904.510.71k(4)23260.76.8.7.h2 结果与讨论2.1 平 面 应
12、 变 断 裂 韧 性 实 验 结 果 分 析由于实验得到的条件断裂韧性值 满足国标GB/T 4161-2007 金属材料平面应变断裂韧度 KIC试QK验方法中规定的有效性要求：(5)2,2.5/QysBaWK所以(6)IC即实验得到的断裂韧性值是有效的。三个试样的断裂韧性值分别为 85.2 MPam1/2，83.6 MPam1/2，79.3 MPam1/2，平均值为 82.7 MPam1/2。图 6 为 685 均质钢平面应变断裂韧性实验试样典型断口扫描电镜照片。可以看出断口主要由三部分组成：基体上密集分布的等轴小韧窝，大的裂纹，以及 碳化物或金属间化合物被拔出所形成的形态相似大小稍有不同的深
13、孔洞。图 6 685 均质钢平面应变断裂韧性实验试样断口：（a ）孪晶马氏体以第二相粒子脱落后的孔洞为裂纹源开裂；（ b）孪晶马氏体亚结构沿中脊线直接开裂Fig 6 Fractographs of plane-strain fracture toughness specimens of 685 homogenous steel: (a) dehiscing of twinned martensite initiating from the hole after the desquamating of second-phase particle;(b)dehiscing of twinned m
14、artensite along the direction of median ridge可以看出，大裂纹附近区域与断口其他区域明显不同，小韧窝数量明显变少，靠近大裂纹两侧部分明显平坦，倾向于脆性准解理断裂。为了研究 图 6 中大裂纹产生的原因，在靠近大裂纹区域进行EDS 能谱分析，发现其主要成分为： Fe，1.06%Mn，0.86%Cr，1.19%Ni 等。可见该区域化学成8 实 验 力 学 ( 年)第 卷分与基体化学成分完全相符，未发现 S、P 等有害元素的富集，从而排除了由 S、P 等有害元素聚集引发脆性开裂的可能性。685 均质钢为中碳低合金钢，其含有部分片状马氏体（孪晶马氏体）成分
15、14，片状马氏体晶格畸变大，淬火应力大，存在大量的显微裂纹，片状马氏体中的孪晶亚结构大大减少了有效滑移，这使得其韧性很差。在孪晶马氏体中，中脊线或微裂纹在受到外力作用时，都可能成为裂纹源，使准解理断裂易于产生，并形成如 图 6 中所示的大裂纹。对于孪晶马氏体的开裂，在扫描电镜下观察到了两种开裂机制。一种是碳化物或金属间化合物被拔出后形成的孔洞位于孪晶马氏体附近，该孔洞成为裂纹源造成孪晶马氏体亚结构的开裂，如 图 6a所示。另一种是孪晶马氏体亚结构在拉应力下沿中部（大概中脊线位置）直接开裂，如 图 6b所示。图 6 中断口上等轴小韧窝的形成机理为孔洞聚集。材料由于塑性变形内部分离形成显微孔洞，在
16、滑移的作用下孔洞逐渐长大，随塑性变形的增大而不断扩展和相互连接，并和其他孔洞连接在一起形成韧窝断口。孪晶马氏体的存在是降低 685 均质钢断裂韧性的最重要的组织因素。因此，避免孪晶马氏体的形成与减少孪晶马氏体的数量，是提高 685 均质钢断裂韧性的重要手段。碳是强烈促进形成孪晶马氏体的元素。当碳含量增加使孪晶马氏体相对量增加时，断裂韧性显著下降。孪晶马氏体的微裂纹敏感度直接与马氏体的碳含量有关。因此，在不引起 685 均质钢强度大幅下降的前提下，适当降低钢的碳含量是改善其断裂韧性的有效措施。另外，还可通过细化晶粒来提高 685 均质钢的断裂韧性。细化晶粒可以同时提高强度和韧性，这就为达到材料强
17、度和韧性的理想匹配提供了一条途径。一般说来，晶粒越细，晶界总面积越大，使裂纹能越过有复杂位错结构的晶界而失稳扩展时所需要消耗的能量越大，断裂韧性就越高。2.2 动态断裂韧性实验结果及分析图 7 为试样上与裂纹传播方向成 60角的应变片的典型测量信号。0. 0.20.40.60.80.1-.50.0.51.01.52.02.53.0 Voltage (V) time (s)图 7 记录裂尖应变历程的应变片信号Fig 7 Signal of strain measurement near the crack tip将试样上 60角应变片测得的电压信号转换为应变信号后，代入式(1)即可用应变片法计算
18、相应的动态应力强度因子历史。试样上距离裂尖 2mm 的监裂应变片测得的典型裂纹起裂信号如 图 8 所示。该应变片所测得的应变最大值所对应的时间减去应力波从裂尖传到应变片所需的时间就是起裂时间 ：ft(7)maxfltC其中， 为应变片最大值对应的时间， 为起裂点距应变片距离， 为波速。因裂纹起裂从中心maxt l C处开始，厚度方向的尺寸必须给予考虑，即 。与起裂时间 相对应的应力强度因2Brft子值 即为材料的动态断裂韧性值 。()IfKt IdK崔新忠，等：685 均质钢静动态断裂韧性实验研究0. 0.20.40.60.80.1-50.0.51.01.52.02.53.0 Voltage
19、(V) time (s)图 8 典型监裂应变片信号Fig 8 Typical signal of strain gauge measuring the initiation of crack图 9 为 685 均质钢动态断裂韧性值与加载率的关系，图 9 中示出的数据点为实验实测结果，两条直线是由数据点的拟合得到。可以看出，当加载率 时，685 均质钢的动态断61.870/IKMPams裂韧性值都随加载率的增加而下降。当加载率 时，材料的动态断裂韧性值随加载率的增加又上升。在加载率 时，出现了材料动态断裂韧性的最小值61.870/IKPams73.23 MPam1/2。1502025030350
20、407080901010120130Dynamic frture toghnes(MPam/) Loading rte(MPam1/2s)图 9 685 均质钢动态断裂韧性值与加载率的关系Fig 9 Relationship between dynamic fracture toughness and loading rate图 10（a） 、 （b）所示分别为低加载速率和高加载速率下动态断裂韧性试样裂纹起裂区域的扫描电镜照片。可以看出，低加载率下的试样断口除了一些细小的韧窝外，还有少量的准解理面存在。此时为由韧窝和准解理面组成的混合型断裂。而对于高加载率情况，则是以韧窝为主要特征的韧性断裂。
21、（a）低加载率（ ） （b）高加载率（ ）61.870/IKMPams 62.849310/IKMPams图 10 685 均质钢动态断裂韧性试样断口扫描电镜照片Fig 10 Fractographs of dynamic fracture toughness specimens of 685 homogeneous steel在三向应力作用下，裂纹前面的塑性区内会出现微孔，随着应力增加，微孔以内缩颈方式长大，8 实 验 力 学 ( 年)第 卷相互聚合并与主裂纹连接，形成细小韧窝带，该韧窝带表征了裂纹起裂时的特征。可以看出，低加载率和高加载率下裂纹起裂处的韧窝带有着比较明显的区别。较低加载率下
22、的韧窝带特征不明显，韧窝带的塑性变形小、宽度窄。而高加载率试样的韧窝带宽，韧窝带的塑性变形量大。即高加载率下的裂纹起裂区域的韧性比低加载率下的要好。而裂纹起裂区域的特征又与材料的起裂韧性即断裂韧性相关，即 图 10（b）试样的动态断裂韧性值要高于 图 10（a）试样的动态断裂韧性值。这也与我们实测的实验结果相吻合。位错在晶格运动过程中总是不断遇到不同类型的阻碍作用(如溶质原子、空穴、小角度晶界和夹杂物等) ，另外位错运动对其自身也产生阻碍作用，位错从一个平衡原子位置运动到另一位置时，必须克服这些阻碍。根据热激活位错运动理论，热能 的增加会加大原子震荡的幅度，进而促进位错的产生。G热能 的表达式
23、为 15：G(9)0lnkT式中， 为 Boltzmann 常量， T 为温度， 为参照应变率。从式中可以看出， 是应变率的减函k 0 G数。这是由于随应变率的增加，位错克服阻力所用的时间将减少。但 是温度的增函数。即随温度的升高，位错更易运动。人们在考虑问题时，往往只单一的考虑应变率或温度，而对二者同时作用的情况研究较少 16。实际上，裂纹在高加载率下的起裂是一个热 -力耦合的过程 17。金属的线性弹性变形是通过原子间键合力的作用，使原子在其附近有极其微小的移动，这种移动仍然处在原子的振动范围，所以，取消弹性力它会恢复到原始的位置，伴随弹性能的恢复，并没有引起金属微观结构的变化，也不会有热产
24、生。而金属在塑性变形过程中，其原子要离开原始位置，这种变形不能恢复，且变形产生热 18。这种热在高速变形中不能及时与外界交换便形成热积累，即温度的连续上升。裂纹在起裂时要同时受到温度和应变率的双重影响。在加载率较低（ ）61.870/IKMPams时，裂纹尖端温升不明显，此时位错运动的时间减少，位错通过热激活克服能垒的时间变短，热激活几率低，热激活过程被抑制，使得位错较难运动，材料的脆化倾向变大。另外，应变率硬化效应使得较易在裂纹尖端形成应力集中造成裂纹开裂。这使得动态断裂韧性值随加载率的增加而下降。但在较高的加载率（ ）下，由于热积累导致裂纹尖端区域温度上升，温升大大增加61.870/IKM
25、Pams了位错运动的驱动力。热软化的影响占据了主导地位。裂纹起裂区域形成了热塑性变形区，该区域内微孔体积大，塑性变形量大。此时，动态断裂韧性值随加载率的增加而升高。2.3 动态断裂韧性实验的高速摄影典型的 685 均质钢动态断裂韧性实验高速摄影如 图 11 所示。图 11 685 均质钢试样动态断裂韧性实验的高速摄影（照片时间间隔 10s）Fig 11 High-speed photography of dynamic fracture toughness tests of 685 homogeneous steel(10us time-interval between photographs
26、)借助高速摄影相机的测量软件，可以测得 图 11 中的试样裂纹起裂时的裂纹嘴距离 为1崔新忠，等：685 均质钢静动态断裂韧性实验研究，试样受载前的初始裂纹嘴距离 为 ，则起裂时的裂纹嘴张开位移为10.67m 0.39m，将该裂纹嘴张开位移 代入式(2)，即可得到起裂时的应力强度因子值，也即为其动28态断裂韧性值。据此算得的动态断裂韧性值为 ，与采用应变片法算得的结果124.8MPa相一致。通过测量软件还发现，在裂纹起裂的最初阶段，裂纹传播速度为 66.7m/s，而在.MPa失稳扩展阶段裂纹传播速度达 173.1m/s。图 12 为通过高速摄影测得的低加载率和高加载率下的试样表面裂纹传播速度。
27、各曲线的最高值处代表了裂纹失稳扩展时的相应速度。其中试样 DT605 的加载率为 ，DT603 的加61.504/MPams载率为 。可以看出，无论是裂纹扩展的最初阶段还是失稳扩展阶段，高加载率下63.8910/ams的裂纹速度都要高于低加载率下的裂纹速度。0. 0.10.20.30.40.5-20240680120146018crak velocity(m/s)time(s)DT6053图 12 685 均质钢动态断裂韧性试样裂纹传播速度Fig 12 Propagation velocity of crack of dynamic fracture toughness specimens o
28、f 685 homogenous steel若裂纹在两幅照片的拍摄时间间隔内起裂，拍摄到的起裂时的那张照片其实是裂纹已经起裂若干微秒后的照片，使用该照片进行相关计算会带来误差。因此，若想采用高速摄影技术来比较准确的测量材料的动态断裂韧性值，就必须尽量提高拍摄速率，而拍摄速率对于高速摄影机总是有其上限的。于本文所使用的高速相机拍摄速率所限，每相邻两幅照片的时间间隔仍有 10s，而时间判断相差23s 就会对动态断裂韧性的计算带来不可忽略的影响 4，在目前的拍摄速率下只能近似计算动态断裂韧性值。故本文只对部分试样采用高速摄影法进行计算，并不将其作为系统地处理实验数据的方法。3 主要结论1) 685
29、均质钢中存在的少量孪晶马氏体组织对其断裂韧性造成了不利影响。碳是强烈促进形成孪晶马氏体的元素，在不引起 685 均质钢强度大幅下降的前提下，可以适当降低碳含量来改善 685 均质钢的断裂韧性性能。另外，还可通过细化晶粒来提高其断裂韧性。2)在加载率 61.870/IKMPams 时，裂纹尖端区域的温升不明显，位错的热激活被抑制，由于应变率效应使得断裂韧性值随加载率的增加而下降。在加载率 61.870/IKMPams 时，由于裂纹尖端的热软化现象，使得断裂韧性值又上升。3)无论是裂纹扩展的最初阶段还是失稳扩展阶段，高加载率下的裂纹传播速度都要高于低加载率下的裂纹传播速度。4)借助高速摄影图像用裂
30、纹嘴张开位移法（Crack Mouth Opening Displacement，CMOD ）计算得到的动态断裂韧性值与用电阻应变片法计算的结果相一致。参考文献1 WEERASOORIYA T, MOY P, CASEM D, CHENG M, CHEN W. A Four-Point Bend Technique to Determine Dynamic Fracture Toughness of CeramicsJ. J Am Ceram Soc, 2006, 89(3): 990-995.2 韩小平, 曹效昂, 朱西平. 冲击载荷下 CFRP 及 GFRP 层板断裂韧性的研究J. 复合材
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43、 Toughness of 685 Homogeneous SteelCUI Xin-zhong1,2, FAN Ya-fu1,2, CHEN Jie2(1.National Key Laboratory of Armor and Anti-armor Material Technology, Yantai 264003, China; 2. No. 52 Institute of China Ordnance Industries Group, Yantai 264003, China)Abstract: The plane-strain fracture toughness of 685
44、homogeneous steel was obtained. Fractographs revealed that twinned martensite caused decline of the fracture toughness of 685 homogeneous steel. Carbon is the element that strongly promotes the formation of twinned martensite. The carbon content should be reduced properly to improve the fracture tou
45、ghness of 685 homogeneous steel. The dynamic fracture toughness of 685 homogeneous steel were tested using modified Hopkinson bar. when the loading rate was under 1.8778106 , the dynamic IK /MPamsfracture toughness of 685 homogeneous steel decreased with the increase of the loading rate. However, wh
46、en the loading rate was higher than 1.8778106 , the dynamic fracture toughness of 685 homogeneous steel IK /MPamsrose due to the effect of thermal softening near the crack tip. High speed camera was used to capture the transient information of the experiment. The dynamic fracture toughness was calcu
47、lated using CMOD method based on the high speed images captured by the high speed camera. The propagation velocity of the crack was obtained. The dynamic fracture toughness calculated using CMOD method were consistent with that calculated from the signal of resistance strain gauge.Key words: 685 steel; Hopkinson bar; dynamic fracture toughness; loading rate
