材料的断裂韧度和速度之间的关系

来源：   日期：2014-10-13 14:19:31   浏览次数：

虽然材料的断裂韧度和加载条件、试样类型、试样尺寸等条件无关，但是它和试验的温度和加载速度是有直接关系的。静载下断裂韧度和动载下断裂韧度是完全不同的，动载时材料的断裂韧度比静载时的低很多，即材料趋于脆性。当相对冲击速度很大时，材料的断裂韧度只是静载时的百分之一，甚至是万分之一。例如，爆炸时产生的速度十分大，此时材料的断裂韧度就相对于静载时小很多。
并不是所有的材料对速度都具有敏感性，一般情况下，中、低强度钢对速度的敏感性较大，而高强度材料的速度敏感性要小很多，即高强度材料的断裂韧度随速度变化而变化的幅度很小。
在冲击载荷作用下，材料开始生成裂纹并进一步扩展，随着裂纹的扩展，如果裂纹扩展的动力小于扩展的阻力(即材料的断裂韧度)，裂纹就会停止扩展，这就是止裂。一些工程构件中，各部分的受力情况不同，材料的断裂韧度也不一样。当生成的裂纹从韧度低的元件扩展到韧度高的元件或者从韧度低的部分扩展到韧度高的部分时.由于阻力升高，又可能使裂纹停止扩展。另外一些构件由于结构刚度的影响，当裂纹扩展时，局部应力下降，扩展力随之下降，小于阻力从而止裂。
裂纹扩展时消耗的能量就是裂纹扩展的阻力(断裂韧度)。设裂纹扩展单位长度(或者单位面积)所需要克服的阻力为R，使裂纹扩展的动力来源于外力做功的增壁dW以及体内释放出来的弹性应变能一dE，裂纹扩展单位长度(或单位面积)所需的能量为G，则有:
一般来说，随着裂纹的扩展，阻力R会逐渐增大。为了简化问题我们假设R和裂纹扩展量-无关。扩展动力G总是和裂纹长度有关的，如果在静态条件下有:
当封切机剪切条件(即包装的直径和载荷力)确定后，封切机剪切作用力即可以确定。:可以认为是确定的，那么‘正比于a，它是经过原点的一条直线(a二0)。
随着裂纹的扩展，如果动力增长率AG大于或等于阻力增长率AR，则裂纹就会因为失稳而扩展。所以，裂纹失稳扩展的临界点为
即临界点是‘曲线和R曲线的切点。当阻力(断裂韧度)为常数时，在图像上表现为一条水平线，G是过原点的一条直线。临界点就是两者的交点A点。在临界点有:
R=G二G
我们可以发现，超过临界点A后，随着裂纹的进一步扩展，裂纹扩展的推动力G>R=G。这表明，经过临界点A后，动力‘在克服阻力从而使裂纹稳定扩展外，还有剩余能量(G一R)。这部分能量将变成裂纹的动能，从而使裂纹加速扩展。阻力使裂纹前进。由此可知，材料的断裂韧度(即裂纹扩展阻力R)也是和速度密切相关的。K}是材料在静载作用时的断裂韧度，但是在实际的加工中，高速时的断裂韧度的实验结果Kd远比静载时的断裂韧度K.要小。Kd的值很难用理论方法确定，一般情况下它的fli由实验确定，但由于封切机高速载荷作用时间比较短暂，给实验的测鱿增加了难度，所以，Kd值的精度也很差。 低碳钢的一些实验数据。从图上我们可以看出，材料的动态断裂韧度随速度的增加而有所减小，但幅度不大。当速度达到某一值时，材料的动态断裂韧度接近最低。随后当速度进一步增加时，断裂韧度反而逐渐增加，而且增加幅度很快。根据这些数据，封切机剪切速度大约在5m/s时，材料的断裂韧度值最小，如果在此速度下进行封切机剪切，棒料的脆性断裂程度加大，塑性断裂减少，断面质量应该较好。