1、压压痕法对韧对韧性材料和脆性材料断断裂韧韧性的评评价2013.08.30.Won Je Jo 介绍介绍压痕法断裂韧性模型压痕法断裂韧性模型-脆性破坏脆性破坏-韧性断裂韧性断裂 验证模型验证模型-压痕法对其他测试方法对比结果压痕法对其他测试方法对比结果-低温应用低温应用压痕法断裂韧性基本概念压痕法断裂韧性基本概念R=250 m压头压头Material:API X70加载加载约约束效应应0.00.10.20.30.40.50.601234563.0-y=3.011771-exp-4.57486(x+0.31229)tmaxV/Vmax0.00.10.20.30.40.50.601234563.2-
2、y=3.298311-exp-3.65099(x+0.27357)tmaxhmax/R2.1 3.22.3 3.0三维裂纹尖端三维裂纹尖端 三轴压痕三轴压痕3压压痕断断裂韧韧性)1(2EJKCJC类似的情况类似的情况?JCK4初始裂纹初始裂纹裂纹钝化裂纹钝化塑性区（断裂过塑性区（断裂过程区）程区）不稳定扩展不稳定扩展裂纹裂纹接触前接触前塑性区发展塑性区发展塑性区发展延长塑性区发展延长能量概概念)1(2EJKCJCCJ=裂纹扩展所需能量裂纹扩展所需能量压痕区域等效压痕区域等效断裂能断裂能分析分析压痕过程压痕过程5压痕过程压痕过程形成一个表面塑性带形成一个表面塑性带6形成一个完全伸展的塑性区形成一
3、个完全伸展的塑性区 (c/a 是常数是常数)扩张的塑性区扩张的塑性区(c/a增加增加)caca设想设想开始形成一个完全伸展的塑性区开始形成一个完全伸展的塑性区=最大应变能量的压头最大应变能量的压头形成的等效断裂能量形成的等效断裂能量h*7c/ahh*脆性材料脆性材料韧性材料韧性材料断口形状变形相对很少或没有变形大量塑性变形尺度应力控制应力控制裂纹尖端的临界断裂应力(sf)应变控制应变控制裂纹尖端的临界断裂应变(ef)形成断裂能当应力达到临界应力当应变达到临界应变断断裂行为为8脆性断断裂模型韧韧性断断裂模型脆性断断裂模型9依据10L(kgf)hmax(m)临界深度临界深度(h*)cmmpp rr
4、临界压力临界压力 在临界深度在临界深度 h*依据塑性区域塑性区域弹性区域弹性区域假定开始形成一个完全延伸塑性区域开始形成一个完全延伸塑性区域=形成等效的断裂能量形成等效的断裂能量dtdc时间最终塑性区大小膨胀率常数acdtdadtdc/膨胀率;dtda完全延伸塑性区域11应应用压压痕理论论步骤步骤.1 屈服的外围接触面积屈服的外围接触面积形成一个表面塑性面形成一个表面塑性面赫兹接触理论步骤步骤.2塑性区塑性区形成完全的扩张延伸塑性区形成完全的扩张延伸塑性区)(弹塑性理论扩张腔模型cah*12赫兹弹兹弹性接触触理论论接触区域的外压力接触区域的外压力(r a)m22rpr2a)21(ss0zsv
5、当一个径向应力在接触区域边缘（当一个径向应力在接触区域边缘（r=a）满足屈服准则）满足屈服准则mrp221s 通过通过 Mises 屈服准侧屈服准侧ysymCps113压压头头材料材料扩扩大控模型(E-P 理论论)塑性区应力塑性区应力(a r c)rips31)ln(2rcyyssss32)ln(2rcyrssysiysrpacsssln232v 变化的核心压力变化的核心压力(r=a)直到完全扩展延伸区域形成直到完全扩展延伸区域形成1ac2Cacby K.E.Puttick(1977)impp ysiacpsln23214核心核心等效断断裂能量的准侧侧步骤步骤 1ysfcmCpsmymcmpp
6、pcmp所需的所需的总压总压力等效力等效断断裂能量裂能量 步骤步骤 2iympp15对对脆性材料的断断裂韧韧性020406080050010001500 PcmIndentation depth(m)h*Indentation mean pressure(kgf/m2)1(2EwKfJCl Pm-h 曲线曲线0204060801001201401600102030405060L(kgf)hmax(m)l 压痕深度曲线压痕深度曲线2cmaxmaLp-每个卸载深度曲线意味每个卸载深度曲线意味-的接触压力的接触压力*0hcfdhALw(1)压痕测试压痕测试(6)压痕断裂韧性压痕断裂韧性(KJC)(2
7、)测量屈服强度测量屈服强度 ys&决定加载力决定加载力Pmc-ys 从载荷从载荷-深度曲线分析而来深度曲线分析而来(3)装配装配 Pm-h 曲线曲线ysfcmCps-(4)决定决定 h*-决定决定 Pmc 在在Pm-h 曲线曲线(5)临界深度临界深度h*等效断裂能等效断裂能16韧韧性材料模型17依据18L(kgf)hmax(m)关键压痕深度关键压痕深度(h*)crreerr在在h*临界应变临界应变依据19单轴拉伸断裂应变 ce吸收应变能直到断裂应变吸收应变能直到断裂应变=韧性韧性(拉伸能量拉伸能量)在在h*临界应变临界应变依据应变应变应力应力高碳钢高碳钢中碳钢中碳钢低碳钢低碳钢设设想弹弹性能量
8、释释放由于裂纹纹增长长等于裂纹纹尖端塑性功数数量.JEKG221Peel and Frosyth,1973TpUrW 2r:塑性区半径塑性区半径UT:单位面积的塑性功单位面积的塑性功对于小范围屈服对于小范围屈服,)1(2)1()1(222EUrEWEJKTcpCJC20塑性功)1(22EUrKTcJCMechanical metallurgy,G.E.DieterfRfYSUTSTeeUsss21塑性功 =应应力-应变应变曲线线的截取面积积)1(Eer2K2fRcJCss sR:真实应力真实应力ef :工程断裂应变工程断裂应变21力学参数学参数)1(Eer2K2fRcJCs从压从压痕参数参数中
9、估计计塑性区域尺寸塑性区域尺寸断裂应变断裂应变测量参数测量参数弹性性能弹性性能vs.塑性性能塑性性能函数均匀应变函数均匀应变 屈服强度屈服强度 抗拉强度抗拉强度 弹性模量弹性模量 松泊比松泊比,=0.3断裂韧性断裂韧性rcef从测从测量中计计算出来来的22塑性区区域尺寸,rcP塑性应变塑性应变弹性约束弹性约束塑性区域塑性区域塑性应变与弹应变与弹性约约束之间间的平衡主导弹性约束主导弹性约束主导塑性应变主导塑性应变Small PZSLarge PZSEUysR22s断断裂应变应变,efuffee真实均匀应变与工程断裂应变实验关系真实均匀应变与工程断裂应变实验关系RcUfr,23)1(Eer2K2f
10、RcJCs塑性区尺寸塑性区尺寸断裂应变断裂应变测量参数测量参数断裂韧性断裂韧性RcUfr uffee对韧对韧性材料断断裂韧韧性21)()(esEfUfKuRRJCs,ER24 验证模型验证模型-压痕法对其他测试方法对比结果压痕法对其他测试方法对比结果-低温应用低温应用测试测试材料的列表材料拉伸测试结测试结果KJC从从 J方法测试测试 结结果E YSUTSnefUniform strainSpecimen thicknessJCKJC(Avg.)Stdev.MPammkJ/m2MPam1碳钢碳钢(结构钢结构钢)SCM4 207000723.349 994.488 0.130 0.168 0.06
11、6 843.68106.160.342SK3 207000315.100 706.527 0.263 0.356 0.180 834.7688.8610.823SKS3 207000434.900 755.502 0.218 0.314 0.160 860.60118.175.784SKH51 207000294.850 784.372 0.259 0.171 0.117 814.5759.754.365SKD11 207000342.800 807.687 0.255 0.118 0.099 840.5298.376.836SUJ2 207000404.300 821.659 0.240 0
12、.333 0.161 854.38113.8713.037S45C207000338.473 727.805 0.269 0.273 0.147 15144.61181.325.078SCM21207000288.752 579.349 0.223 0.298 0.142 15339.98281.3712.039SS400207000259.399 497.034 0.238 0.380 0.182 20423.05310.210.0510SKD61207000377.415 765.815 0.235 0.310 0.142 20571.61360.583.0211低温温度.管道A10620
13、7000304.523 583.154 0.217 0.303 0.158 13.5304.56263.0313.5812Cr-Mo(锅炉锅炉管道)A387 G22207000519.350 689.020 0.142 0.249 0.085 16518.58343.1418.1213API(石油管道)X65207000466.913 650.875 0.169 0.350 0.149 14372.91291.187.9914X100207000598.560 918.072 0.141 0.251 0.089 19548.24352.8019.0715X120207000745.863 10
14、22.969 0.130 0.200 0.054 16687.95395.529.2516不锈钢锈钢SUS403207000335.277 671.527 0.212 0.360 0.154 13332.40274.9810.9217SUS420J2207000398.468 797.689 0.207 0.290 0.124 8103.87155.2910.5818SUS440 207000329.900 820.767 0.256 0.215 0.118 826.3385.020.1219SUS304207000285.685 1138.378 0.359 0.774 0.493 2053
15、7.13349.2717.0520SUS304L207000258.816 1164.728 0.402 0.654 0.427 20666.29389.2111.0421SUS347207000244.863 999.489 0.369 0.644 0.416 23591.39366.746.4322SUS321207000252.402 1039.966 0.373 0.724 0.471 22499.02336.912.6723铝铝合金Al2024 70000459.100 669.399 0.152 0.165 0.128 848.2064.077.5324Al7075 7000051
16、7.700 621.813 0.080 0.136 0.050 817.2436.969.1025铜铜合金C62400120000433.206 842.945 0.259-0.066 94.8325.610.35 26InCu120000160.025 480.855 0.328 0.483 0.371 17187.25156.8515.1527镍镍合金Alloy20207000348.337 762.178 0.235 0.379 0.207 17453.21321.08-28钛钛合金Ti-6Al-4V110000937.128 1099.815 0.080-0.086 990.16 11
17、3.62 11.43 29Ti-6Al-6V-2Sn1100001009.230 1172.560 0.076-0.105 939.00 72.24 3.1230Ti-5Al-2.5Sn110000885.569 1038.013 0.066-0.096 961.56 86.63 5.73 31Ti-10Al-2Fe-3Al1100001163.318 1257.332 0.096-0.027 994.07 96.5917.33 26测试条测试条件27压头压头压头压头半半径径控制方法控制方法碳碳化化钨钨球形球形压头压头250 um最大深度控制最大深度控制设备设备AIS 系系统统最大最大压压痕深
18、度痕深度150 um零指零指数数0.06 kgf表面粗糙度表面粗糙度#2000050100150200250300350400450500050100150200250300350400450500X65SUS403InCuX100X120SCM21SS400SKD61A106A387-G22Alloy20304304L347321S45CSUS420J2SCM4SKS3SUS440SKH51SUJ2SKD11SK3Ti-10-2-3Ti-6-4Ti-6-6-2Ti-5-2.5C62400Al2024Al7075X120304LA106SS400X65SCM21403A387-G22SKD61
19、347420J2S45CInCu Ti-10-2-3Ti-6-4Ti-5-2.5Ti-6-6-2Al2024Al7075C62400SK3SCM4SKD11440SUJ2SKS3SKH51321X100Alloy20304+20%-20%KJC Results压痕法测试压痕法测试 KJC(MPam)J积分测试积分测试KJC(MPam)28脆性材料模型脆性材料模型韧性材料模型韧性材料模型KJC 结结果DuctileMaterial J方法方法 KJC压压痕法KJCKJC(Avg.)Stdev.KJC(Avg.)Stdev.MPamMPam碳钢碳钢(结构钢结构钢)SCM21281.3712.032
20、56.504.73SS400310.210.05235.4515.18SKD61360.583.02316.4710.96低温度管道低温度管道A106263.0313.58242.6011.01Cr-Mo(锅炉管锅炉管)A387 G22343.1418.12273.6311.18API(石油管道石油管道)X65291.187.99273.336.03X100352.8019.07330.7513.57X120395.529.25448.105.54不锈钢不锈钢SUS403274.9810.92251.263.86SUS304349.2717.05373.3821.34SUS304L389.21
21、11.04398.4733.71SUS347366.746.43326.2811.94SUS321336.912.67324.2215.87钛合金钛合金Alloy20321.08-292.885.53脆性材料脆性材料J方法方法 KJC压压痕法 KJCKJC(Avg.)Stdev.KJC(Avg.)Stdev.MPamMPam碳钢碳钢(结构钢结构钢)SCM4 106.160.3490.876.62SK3 88.8610.8289.963.49SKS3 118.175.78110.683.10SKH51 59.754.3690.1310.99SKD11 98.376.8389.827.96SUJ2
22、 113.8713.03103.1914.21S45C181.325.07165.809.49不锈钢不锈钢SUS420J2155.2910.58156.817.94SUS440 85.020.1294.779.75铝铝合金Al2024 64.077.5352.064.56Al7075 36.969.1043.873.30铜铜合金C6240025.610.35 16.82-InCu156.8515.15160.376.06钛合金钛合金Ti-6Al-4V113.62 11.43 108.3315.47Ti-6Al-6V-2Sn72.24 3.1250.076.96Ti-5Al-2.5Sn86.63
23、 5.73 92.2110.47Ti-10Al-2Fe-3Al96.5917.33 75.1915.1429低温温系统统 评价断裂韧性与气温的变化评价断裂韧性与气温的变化 低温在断裂韧性的测量低温在断裂韧性的测量使用使用 ASTM E1921在零下温度下分析在零下温度下分析应用应用 真空腔尺寸(WxDxH)410 x 300 x 160(mm)冷却元件液氮 环境测试真空、隔离 最低温度.-160 oC冷却速度 40 oC/min (40 oF/min)规格规格30恒温温槽控制器AIS 系统统真空腔真空腔V型断口样品型断口样品T 1_1T 1_2T 2_1T 2_2020406080100120
24、140160180 IIT CharpyFT,KJC from IIT(MPam0.5)020406080100120140At Room TemperatureCVN(J)T 1_1T 1_2T 2_1T 2_2020406080100120140160180FT,KJC from IIT(MPam0.5)IIT Charpy020406080100120140At-29 oCCVN(J)压痕法与压痕法与V型断口试验结果关系型断口试验结果关系-材料材料:2.25Cr1MoV steel(焊接焊接)-试验温度：常温试验温度：常温 和和-29oC低温测试应用低温测试应用31压痕法压痕法冲击试验冲
25、击试验压痕法压痕法冲击试验冲击试验室温室温低温下的应用低温下的应用 主要曲线主要曲线:KJC 压痕法压痕法:KJC J方法方法 样品信息与测试条件样品信息与测试条件化学成分(wt.%)C Si Mn P S Ni 0.21 0.24 1.36 0.007 0.002 0.92 Cr Mo Al Cu V 0.21 0.49 0.022 0.03 0.005 化学成分化学成分材料SA508-3,ID:GS880样品V型缺口试样用途核反应堆压力容器温度范围(大约零下10）-110-20断裂韧性测试依据ASTM E192032-200-150-100-50050050100150200250FMCG
26、,KAERIGS880,PCVN KJC,1T (MPa-m0.5)Temperature(oC)T0=-63.5oC Median 5,95%Tolerance bound参考参考:Bong-Sang Lee,Min-Chul Kim,Maan-Won Kim,Ji-Hyun Yoon,Jun-Hwa Hong,“理论曲线理论曲线技术来评估一个辐照脆化的核反应堆压力容器长期操作技术来评估一个辐照脆化的核反应堆压力容器长期操作”,国际期刊国际期刊压力容压力容器和管道器和管道85(2008)593-599 公差约束公差约束中值中值Applications at low temperature-M
27、aster Curve:KJC from IIT:KJC from J-Test Specimen information and testing conditionsChemical composition(wt.%)C Si Mn P S Ni 0.21 0.24 1.36 0.007 0.002 0.92 Cr Mo Al Cu V 0.21 0.49 0.022 0.03 0.005 Chemical composition of specimenMaterialSA508-3,ID:CS50SpecimenCompact tension and precracked CVNUseNu
28、clear reactor pressure vesselTemperature range(about10 Interval)-110-20Fracture toughness testingASTM E192033-200-150-100-50050050100150200250FMCG,KAERICS50,PCVN KJC,1T (MPa-m0.5)Temperature(oC)T0=-26.5oC Median 5,95%Tolerance bound参考参考:Bong-Sang Lee,Min-Chul Kim,Maan-Won Kim,Ji-Hyun Yoon,Jun-Hwa Hong,“理论曲线理论曲线技术来评估一个辐照脆化的核反应堆压力容器长期操作技术来评估一个辐照脆化的核反应堆压力容器长期操作”,国际期刊国际期刊压力容压力容器和管道器和管道85(2008)593-599 中值中值公差约束公差约束
