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1、壓 痕法對 韌 性材料和脆性材料斷 裂韌 性的評 價2013. 08. 30. Won Je Jo 介 紹壓 痕 法 斷 裂 韌 性 模 型- 脆 性 破 壞- 韌 性 斷 裂 驗 證 模 型- 壓 痕 法 對 其 他 測 試 方 法 對 比 結(jié) 果- 低 溫 應(yīng) 用壓 痕 法 斷 裂 韌 性 基 本 概 念 R=250m壓 頭 Material : API X70加載 約 束效應(yīng) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60123 456 3.0- y=3.011771-exp-4.57486(x+0.31229)t max V / V max 0.0 0.1 0.2 0.3 0

2、.4 0.5 0.601 23456 3.2- y=3.298311-exp-3.65099(x+0.27357)t max hmax / R 2.1 3.22.3 3.0三維 裂紋 尖端 三軸 壓 痕2 壓 痕斷 裂韌 性 )1( 2 EJK CJC 類 似的情況 ?JCK3初始裂紋裂紋 鈍 化 塑性區(qū) （斷 裂過程區(qū) ）不穩(wěn) 定擴 展裂紋 接觸 前塑性區(qū) 發(fā) 展塑性區(qū) 發(fā) 展延長 能量概 念)1( 2 EJK CJC CJ = 裂紋 擴 展所需能量壓 痕 區(qū) 域 等 效 斷 裂 能 分 析 壓 痕 過 程 4 壓 痕 過 程 形 成 一 個 表 面 塑 性 帶5 形 成 一 個 完 全 伸

3、 展 的 塑 性 區(qū) (c/a 是 常 數(shù) )擴 張 的 塑 性 區(qū) (c/a增 加 )ca ca 設(shè) 想 開 始 形 成 一 個 完 全 伸 展 的 塑 性 區(qū)=最 大 應(yīng) 變 能 量 的 壓 頭形 成 的 等 效 斷 裂 能 量h* 6 c/a hh* 脆 性 材 料 韌 性 材 料斷 口形狀 變 形 相 對 很 少 或 沒 有 變 形 大 量 塑 性 變 形尺 度 應(yīng) 力 控 制裂 紋 尖 端 的 臨 界 斷 裂 應(yīng) 力 (sf) 應(yīng) 變 控 制裂 紋 尖 端 的 臨 界 斷 裂 應(yīng) 變 (ef)形 成 斷 裂 能 當(dāng) 應(yīng) 力 達(dá) 到 臨 界 應(yīng) 力 當(dāng) 應(yīng) 變 達(dá) 到 臨 界 應(yīng) 變

4、斷 裂行為 7脆性斷 裂模型 韌 性斷 裂模型 脆性斷 裂模型 8 依據(jù) 9 L (kgf) h max (m) 臨 界深度 (h*) cmm pp rr臨 界壓 力 在臨 界深度 h*依據(jù) 塑性區(qū) 域 彈 性區(qū) 域 假定 開 始形成一個 完全延伸塑性區(qū) 域=形成等效的斷 裂能量 dtdc 時 間最 終 塑 性 區(qū) 大 小膨 脹 率 常 數(shù) acdtdadtdc / 膨 脹 率 ;dtda完 全 延 伸 塑 性 區(qū) 域10 應(yīng) 用壓 痕理論步驟 .1 屈服的外圍 接觸 面積形成一個 表面塑性面赫 茲 接 觸 理 論 步驟 . 2塑性區(qū)形成完全的擴 張 延伸塑性區(qū) )( 彈 塑 性 理 論擴 張

5、 腔 模 型 cah*11 赫茲 彈 性接觸 理論 接觸 區(qū) 域的外壓 力 (r a)m2 2r pr2 a)21( ss 0 z sv 當(dāng) 一個 徑 向應(yīng) 力在接觸 區(qū) 域邊 緣 （r=a）滿 足屈服準(zhǔn)則 mr p 221 s 通過 Mises 屈服準(zhǔn)側(cè) ysym Cp s 1 12 壓 頭材料 擴 大控模型 (E-P 理論 ) 塑性區(qū) 應(yīng) 力 (a r c) rip s 31)ln(2 rcyy ssss 32)ln(2 rcyrssysiysr pac sss ln232v 變 化的核心壓 力 (r = a) 直到完全擴 展延伸區(qū) 域形成1ac 2Cac by K.E. Puttick

6、(1977)im pp ysi acp s ln23213 核心 等效斷 裂能量的準(zhǔn)側(cè)步驟 1 ysfcm Cp s mymcm ppp cmp所 需 的 總 壓 力 等 效 斷 裂 能 量 步驟 2iym pp 14 對 脆性材料的斷 裂韌 性 0 20 40 60 800500 10001500 Pcm Indentation depth (m)h*Indentation mean pre ssure(kgf/m2 ) )1( 2 EwK fJC l Pm - h 曲線 0 20 40 60 80 100 120 140 160010203040 5060L (kgf) hmax (m)

7、l 壓 痕深度曲線 2cmaxm aLp -每個 卸載 深度曲線 意味-的接觸 壓 力 *0h cf dhALw (1) 壓 痕測 試 (6) 壓 痕斷 裂韌 性 (K JC) (2)測 量屈服強度 ys & 決 定加載 力Pmc- ys 從 載 荷-深度曲線 分析而來(3) 裝配 Pm-h 曲線 ysfcm Cp s-(4) 決 定 h *- 決 定 Pmc 在Pm-h 曲線(5) 臨 界深度h* 等效斷 裂能 15 韌 性材料模型 16 依據(jù) 17 L (kgf) h max (m) 關(guān) 鍵 壓 痕深度 (h*) crr ee rr在h*臨 界應(yīng) 變依據(jù) 18 單 軸 拉 伸 斷 裂 應(yīng)

8、變 ce 吸收應(yīng) 變 能直到斷 裂應(yīng) 變=韌 性 (拉伸能量)在h*臨 界應(yīng) 變依據(jù) 應(yīng) 變應(yīng)力 高碳 鋼 中碳 鋼 低碳 鋼 設(shè) 想彈 性能量釋 放由于裂紋 增長 等于裂紋 尖端塑性功數(shù) 量. JEKG 22 1 Peel and Frosyth, 1973 Tp UrW 2r : 塑性區(qū) 半徑UT : 單 位面積 的塑性功對 于小范圍 屈服, )1(2)1()1( 222 EUrEWEJK TcpCJC 19 塑性功)1(2 2 EUrK TcJC Mechanical metallurgy, G.E. Dieter fRfYSUTST eeU sss21塑性功 = 應(yīng) 力-應(yīng) 變 曲線

9、的截取面積)1( Eer2K 2 fRcJC s sR : 真 實 應(yīng) 力ef : 工程斷 裂應(yīng) 變 20 力學(xué) 參 數(shù) )1( Eer2K 2 fRcJC s 從 壓 痕參 數(shù) 中估計塑 性 區(qū) 域 尺 寸 斷 裂 應(yīng) 變 測 量 參 數(shù)彈 性 性 能vs.塑 性 性 能 函 數(shù) 均 勻 應(yīng) 變 屈 服 強 度 抗 拉 強 度 彈 性 模 量 松 泊 比 , =0.3斷 裂 韌 性rc ef 從 測 量中計 算出來 的21 塑性區(qū) 域尺寸, rcP塑性應(yīng) 變 彈 性約 束塑性區(qū) 域塑性應(yīng) 變 與 彈 性約 束之間 的平衡主導(dǎo) 彈 性約 束主導(dǎo) 塑性應(yīng) 變 Small PZSLarge PZS

10、EU ysR 2 2s 斷 裂應(yīng) 變 , ef uf fe e 真 實 均勻 應(yīng) 變 與 工程斷 裂應(yīng) 變 實 驗 關(guān) 系 Rc Ufr , 22 )1( Eer2K 2 fRcJC s 塑 性 區(qū) 尺 寸 斷 裂 應(yīng) 變 測 量 參 數(shù)斷 裂 韌 性 Rc Ufr uf fe e對 韌 性材料斷 裂韌 性 21 )()( es EfUfK uRRJC s ,ER23 驗 證 模 型- 壓 痕 法 對 其 他 測 試 方 法 對 比 結(jié) 果- 低 溫 應(yīng) 用 測 試 材料的列表材料 拉伸測 試 結(jié) 果 KJC從 J方法測 試 結(jié) 果E YS UTS n ef Uniform strain Sp

11、ecimen thickness JC KJC (Avg.) Stdev.MPa mm kJ/m2 MPam 1 碳 鋼(結(jié) 構(gòu) 鋼 ) SCM4 207000 723.349 994.488 0.130 0.168 0.066 8 43.68 106.16 0.342 SK3 207000 315.100 706.527 0.263 0.356 0.180 8 34.76 88.86 10.823 SKS3 207000 434.900 755.502 0.218 0.314 0.160 8 60.60 118.17 5.784 SKH51 207000 294.850 784.372 0.

12、259 0.171 0.117 8 14.57 59.75 4.365 SKD11 207000 342.800 807.687 0.255 0.118 0.099 8 40.52 98.37 6.836 SUJ2 207000 404.300 821.659 0.240 0.333 0.161 8 54.38 113.87 13.037 S45C 207000 338.473 727.805 0.269 0.273 0.147 15 144.61 181.32 5.078 SCM21 207000 288.752 579.349 0.223 0.298 0.142 15 339.98 281

13、.37 12.039 SS400 207000 259.399 497.034 0.238 0.380 0.182 20 423.05 310.21 0.0510 SKD61 207000 377.415 765.815 0.235 0.310 0.142 20 571.61 360.58 3.0211 低溫 度. 管道 A106 207000 304.523 583.154 0.217 0.303 0.158 13.5 304.56 263.03 13.5812 Cr-Mo (鍋 爐 管道) A387 G22 207000 519.350 689.020 0.142 0.249 0.085

14、16 518.58 343.14 18.1213 API(石油管道) X65 207000 466.913 650.875 0.169 0.350 0.149 14 372.91 291.18 7.9914 X100 207000 598.560 918.072 0.141 0.251 0.089 19 548.24 352.80 19.0715 X120 207000 745.863 1022.969 0.130 0.200 0.054 16 687.95 395.52 9.25 16 不銹 鋼 SUS403 207000 335.277 671.527 0.212 0.360 0.154

15、13 332.40 274.98 10.9217 SUS420J2 207000 398.468 797.689 0.207 0.290 0.124 8 103.87 155.29 10.5818 SUS440 207000 329.900 820.767 0.256 0.215 0.118 8 26.33 85.02 0.1219 SUS304 207000 285.685 1138.378 0.359 0.774 0.493 20 537.13 349.27 17.0520 SUS304L 207000 258.816 1164.728 0.402 0.654 0.427 20 666.2

16、9 389.21 11.0421 SUS347 207000 244.863 999.489 0.369 0.644 0.416 23 591.39 366.74 6.4322 SUS321 207000 252.402 1039.966 0.373 0.724 0.471 22 499.02 336.91 2.6723 鋁 合金 Al2024 70000 459.100 669.399 0.152 0.165 0.128 8 48.20 64.07 7.5324 Al7075 70000 517.700 621.813 0.080 0.136 0.050 8 17.24 36.96 9.10

17、25 銅 合金 C62400 120000 433.206 842.945 0.259 - 0.066 9 4.83 25.61 0.35 26 InCu 120000 160.025 480.855 0.328 0.483 0.371 17 187.25 156.85 15.15 27 鎳 合金 Alloy20 207000 348.337 762.178 0.235 0.379 0.207 17 453.21 321.08 -28 鈦 合金 Ti-6Al-4V 110000 937.128 1099.815 0.080 - 0.086 9 90.16 113.62 11.43 29 Ti-

18、6Al-6V-2Sn 110000 1009.230 1172.560 0.076 - 0.105 9 39.00 72.24 3.1230 Ti-5Al-2.5Sn 110000 885.569 1038.013 0.066 - 0.096 9 61.56 86.63 5.73 31 Ti-10Al-2Fe-3Al 110000 1163.318 1257.332 0.096 - 0.027 9 94.07 96.59 17.33 25 測 試 條 件 26 壓 頭壓 頭半徑控制方法碳化鎢球形壓 頭250 um最大深度控制設(shè) 備 AIS 系統(tǒng)最大壓痕深度150 um 零指數(shù) 0.06 kgf

19、表面粗糙度#2000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500050 100150 200250 300350 400450 500 X65SUS403 InCu X100X120 SCM21SS400 SKD61 A106 A387-G22Alloy20304304L347321 S45CSUS420J2 SCM4SKS3SUS440SKH51SUJ2SKD11SK3Ti-10-2-3Ti-6-4Ti-6-6-2Ti-5-2.5 C62400Al2024Al7075 X120304L A106SS400 X65SCM21403 A387-G22 SKD

20、61347 420J2S45C InCu Ti-10-2-3 Ti-6-4Ti-5-2.5Ti-6-6-2Al2024 Al7075 C62400 SK3 SCM4SKD11440SUJ2 SKS3 SKH51 321X100Alloy20 304 +20% -20%KJC Results 壓 痕法測 試 KJC (MPam)J積分測試KJC (MPam ) 27脆性材料模型 韌 性材料模型 KJC 結(jié) 果 DuctileMaterial J方 法 KJC 壓 痕法KJCKJC (Avg.) Stdev. KJC (Avg.) Stdev.MPam MPam 碳 鋼(結(jié) 構(gòu) 鋼 ) SCM21

21、 281.37 12.03 256.50 4.73SS400 310.21 0.05 235.45 15.18SKD61 360.58 3.02 316.47 10.96低 溫 度 管 道 A106 263.03 13.58 242.60 11.01Cr-Mo(鍋 爐 管 ) A387 G22 343.14 18.12 273.63 11.18API(石 油 管 道 ) X65 291.18 7.99 273.33 6.03X100 352.80 19.07 330.75 13.57X120 395.52 9.25 448.10 5.54 不 銹 鋼 SUS403 274.98 10.92 2

22、51.26 3.86SUS304 349.27 17.05 373.38 21.34SUS304L 389.21 11.04 398.47 33.71SUS347 366.74 6.43 326.28 11.94SUS321 336.91 2.67 324.22 15.87鈦 合 金 Alloy20 321.08 - 292.88 5.53 脆 性 材 料 J方 法 KJC 壓 痕法 KJCKJC (Avg.) Stdev. KJC (Avg.) Stdev.MPam MPam碳 鋼(結(jié) 構(gòu) 鋼 ) SCM4 106.16 0.34 90.87 6.62SK3 88.86 10.82 89.9

23、6 3.49SKS3 118.17 5.78 110.68 3.10SKH51 59.75 4.36 90.13 10.99SKD11 98.37 6.83 89.82 7.96SUJ2 113.87 13.03 103.19 14.21S45C 181.32 5.07 165.80 9.49不 銹 鋼 SUS420J2 155.29 10.58 156.81 7.94SUS440 85.02 0.12 94.77 9.75鋁 合金 Al2024 64.07 7.53 52.06 4.56Al7075 36.96 9.10 43.87 3.30銅 合金 C62400 25.61 0.35 16

24、.82 -InCu 156.85 15.15 160.37 6.06 鈦 合 金 Ti-6Al-4V 113.62 11.43 108.33 15.47Ti-6Al-6V-2Sn 72.24 3.12 50.07 6.96Ti-5Al-2.5Sn 86.63 5.73 92.21 10.47Ti-10Al-2Fe-3Al 96.59 17.33 75.19 15.14 28 低溫 系統(tǒng) 評 價斷 裂韌 性與 氣 溫 的變 化 低溫 在斷 裂韌 性的測 量使用 ASTM E1921在零下溫 度下分析應(yīng) 用 真 空腔尺寸 (WxDxH) 410 x 300 x 160 (mm)冷卻元件 液氮 環(huán)

25、境測 試 真 空、隔離 最低溫 度. -160 oC冷卻速度 40 oC/min ( 40 oF/min) 規(guī) 格 29恒溫 槽控制器 AIS 系統(tǒng)真 空腔 V型斷 口樣 品 T 1_1 T 1_2 T 2_1 T 2_20204060 80100120140160 180 IIT Charpy FT, KJC from IIT(M Pam0.5 ) 0204060 80100120140 At Room Temperature CVN (J) T 1_1 T 1_2 T 2_1 T 2_20204060 80100120140160 180 FT, KJC from IIT(M Pam0.5

26、 ) IIT Charpy 0204060 80100120140 At -29 oC CVN (J) 壓 痕法與 V型斷 口試 驗 結(jié) 果關(guān) 系- 材料: 2.25Cr1MoV steel (焊 接)- 試 驗 溫 度：常溫 和 -29oC低溫 測 試 應(yīng) 用 30 壓 痕法沖擊 試 驗 壓 痕法沖擊 試 驗室溫 低溫 下的應(yīng) 用 主要曲線 : KJC 壓 痕法 : KJC J方法 樣 品信息與 測 試 條 件 化學(xué) 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

27、.03 0.005 化學(xué) 成分 材料 SA508-3, ID:GS880樣 品 V型缺口試 樣用途 核反應(yīng) 堆壓 力容器溫 度范圍(大約 零下10） -110-20斷 裂韌 性測 試 依據(jù) ASTM E1920 31-200 -150 -100 -50 0 50050100 150200 250 FMCG, KAERI GS880, PCVN K JC,1T (MPa-m 0.5 ) Temperature (oC) T0 = -63.5oC Median 5, 95% Tolerance bound 參 考: Bong-Sang Lee, Min-Chul Kim, Maan-Won Kim

28、, Ji-Hyun Yoon, Jun-Hwa Hong, “理論 曲線 技術(shù) 來 評 估一個 輻 照脆化的核反應(yīng) 堆壓 力容器長 期操作”,國 際 期刊壓 力容器和管道85(2008)593 - 599 公差約 束中值 Applications at low temperature - Master Curve : KJC from IIT : KJC from J-Test Specimen information and testing conditions Chemical composition (wt.%) C Si Mn P S Ni 0.21 0.24 1.36 0.007 0

29、.002 0.92 Cr Mo Al Cu V 0.21 0.49 0.022 0.03 0.005 Chemical composition of specimen Material SA508-3, ID:CS50Specimen Compact tension and precracked CVNUse Nuclear reactor pressure vesselTemperature range(about10 Interval) -110-20Fracture toughness testing ASTM E1920 32-200 -150 -100 -50 0 50050100 150200 250 FMCG, KAERI CS50, PCVN K JC,1T (MPa-m 0.5 ) Temperature (oC) T0 = -26.5oC Median 5, 95% Tolerance bound 參 考: Bong-Sang Lee, Min-Chul Kim, Maan-Won Kim, Ji-Hyun Yoon, Jun-Hwa Hong, “理論 曲線 技術(shù) 來 評 估一個 輻 照脆化的核反應(yīng) 堆壓 力容器長 期操作”,國 際 期刊壓 力容器和管道85(2008)593 - 599 中值公差約 束