Q235钢试件抗裂特性分析

【摘 要】本文研究带预置切口试件在三点弯曲加载实验过程中的断裂行为。根据实验数据，对损伤带上弹塑性相对位移的变化规律进行分析，并根据实验数据分析海水腐蚀对碳钢试件承载力和断裂韧度的影响，为海洋基础设施的设计选材安全使用提供实验数据与理论依据。

【关键词】三点弯曲实验；海水腐蚀碳钢；断裂参量

0 引言

在外部因素作用下，工程材料结构内部的许多微裂纹和微孔洞开始相互汇合并不断扩展，从而降低了材料的刚度及强度等力学性能近年来，对碳钢力学性能的研究一直是学术界的热点问题，涉及到抗裂强度、疲劳与切口强度、断裂韧性等多方面的研究。对于裂纹非线性断裂有基于M-D模型的裂纹张开位移COD[1]，和围绕裂纹尖端的J积分等参量[2-3]。还有文献从裂纹张开位移COD和J积分角度对材料的断裂问题进行研究[4]。

本文结合三点弯曲梁的电测跟踪试验，对碳钢损伤带上弹塑性相对位移做了进一步探讨，同时根据实验数据分析了海水腐蚀对碳钢试件承载力和断裂韧度的影响。

1 三点弯曲试验

三点弯曲试验简介：

实验所用的仪器为WDW-100微控电子万能试验机。图1为三点弯曲缺口梁加载示意图，图中l为碳钢试件的长度，h为试样的高度，b为试件的厚度，s为两支撑点间的距离，a0为预制裂纹的长度。试件的编号分别为h40a12、Jh40a12、h40a16和Jh40a16，其中以h开头的试件未经海水浸泡，以J开头的试件在室温条件下浸泡海水400天左右，试件的尺寸和载荷峰值都列入表1中。从表1中的数据可以得出峰值载荷下海水腐蚀前、后两试件单位厚度上所承受的力分别为2.375kN和2.15kN。由此可见海水腐蚀降低了材料抵抗破坏的能力，使材料所能承受的最大载荷降低。

图1 三点弯曲缺口梁加载几何示意图

表1 三点弯曲各试件尺寸与荷载峰值

2 电测跟踪试验过程与分析

图2 应变片位置几何示意图

2.1 应变片位置

实验所用的应变片规格为11mm×5mm，电阻值为（120.1±0.2）Ω。对不同尺寸的试件进行应变片电测跟踪实验，对于试件h40a12、Jh40a12和h40a16，在试件的两侧分别贴3个应变片，正面标注为应变片1、2、3，反面标注为应变片A、B、C，应变片距预置切口根部的距离分别为0mm，0.9mm，1.8mm。试件Jh40a16应变片的粘贴与标注方式一致，应变片距预置切口根部的距离分别为0mm，0.8mm，1.6mm。图2为应变片位置几何示意图。

2.2 相对位移变化规律

将应变仪所记录的各应变片在加载过程中随荷载变化得到的数值分别乘以应变片的长度，就得到应变片两端的相对位移，它能直观的反应试件各处的变形情况。图3以应变片距裂纹尖端的距离为横轴，以应变片两端的相对位移为纵轴绘制了在不同载荷下相对位移与位置的关系曲线。从图中曲线可以看出载荷一定时，相对位移先随距离的增加而减小，减小到0后又随距离增加逐步变大，图中相对位移出现负值说明此处为压缩区，应变片两端相对距离减小。值得注意的是在不同载荷下，同一试件的相对位移在同一位置处值为0，这个位置为试件的中性层位置。

分析实验数据还可以看出，当载荷与应变片位置一定时，相似尺寸经海水腐蚀试件上的应变片两端的相对位移比未经海水腐蚀试件的大。例如，当载荷为40kN时试件Jh40a16裂纹尖端处的相对位移为0.085mm，而试件h40a16裂纹尖端处的相对位移仅有0.065mm。

图3 Jh40a16相对位移与应变片位置关系

3 应力强度因子的计算

由于材料介质中裂纹的存在，一般在裂纹端部出现应力集中，使得仅以应力大小度量构件受力状态的强度理论不再适用。应力强度因子KI是表征构件内裂纹尖端附近应力场奇异性的重要参量[5-6]，对于材料弹塑性断裂问题，COD和J积分也是表征应力场强弱的重要指标，同时塑性区的大小和COD的值都与裂纹尖端KI的大小密切相关。应力强度因子与结构的形状、几何尺寸、及其所受外载荷的形式和大小有关，对于带切口的弯曲梁构件，它切口根部KI的表达式如下[7- 8]：

也就是当试件尺寸已知时，应力强度因子与构件所承受的外载荷的关系也可确定，现假设KI与P的比例系数为λ，则λ=KI/P。对于h=40mm，b=30mm，a=12mm的试件，当s=4h时KI=1.797P，当S=8h时KI=0.825P。假设λ与比值h/S呈线性关系，便可得到h/S为任意比值时应力强度因子与外载荷的关系式。

起裂断裂韧度K0是微裂纹开裂并进入亚临界扩展标志，可作为结构内部裂纹扩展的判断准则[9-10]。文中选取电测实验获得的各试件荷载-应变曲线中线性段与非线性段的分界点处荷载作为起裂荷载。失稳断裂韧度KIC是标志结构抵抗断裂能力的重要参数，这里取实验峰值载荷作为失稳断裂载荷。结合应力强度因子与载荷的线性关系及试件尺寸数据，计算得到起裂断裂韧度K0与失稳断裂韧度KIC，并将计算结果列入表2中。从表2中可明显看出，对于尺寸相同的试件，经海水腐蚀试件的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度较未经海水腐蚀试件明显降低。预置切口为12mm试件的断裂韧度降低了20.37MPa.m^0.5，预置切口为1.6mm试件的断裂韧度降低了19.78 MPa.m^0.5，显然海水浸泡使得试件KIC韧度降低10%以上，使材料明显变脆。

表2 各试件应力强度因子及载荷峰值

4 总结

通过电测跟踪实验得出海水腐蚀使得材料性能弱化且载荷峰值降低；文中也给出不同载荷下弹塑性相对位移随应变片位置的变化曲线，经海水腐蚀试件损伤带上弹塑性相对位移较大应变片两端的相对位移；通过对试件切口端部应力强度因子的计算，得出海水腐蚀使得同一尺寸的碳钢试件的起裂韧度和失稳韧度都有所降低。

【参考文献】

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