仪器化夏比冲击力值分析方法

　　1　引言

　　自上世纪90年代A.G.A. Charpy开创夏比冲击试验技术至今,夏比冲击因其试验的简易可靠及低成本,已被广泛用于评价金属材料在高应变速率加载与大变形动态服役条件下的冲击韧度[1]。基于GB/T229—1994试验标准,通过夏比冲击试验可以获得两个重要参量,即冲击吸收功AkV(本文用冲击总能量Et表示)与纤维断面比例值FA(本文用断口剪切面积比例值PSF表示),相关试验表明Et值的大小直接反映金属材料在动态加载条件下的强度性能,而PSF则与冲击断裂的趋向模式与韧性性能密切相关。与传统的拉伸试验得到的数据相比,夏比冲击试验通常被认为是一类半定量的实验技术。如两类材料会有相同的Et值,而其PSF参量可能因脆性断裂或韧性断裂的原因而完全不同。因而,仅采用传统的Charpy冲击试验,依靠上述两个表观唯象的物理参量几乎无法建立起金属材料动态断裂的有效模型,进而获得其动态止裂与裂纹扩展的定量信息。故如何通过Charpy试验准确评判材料冲击韧度的优劣,已成为材料研发设计的热点。

　　仪器化夏比冲击试验技术(instrumented impacttesting,IIT)有效地解决了传统Charpy试验的不足,是冲击试验方法定量化发展的本质飞跃[2]。IIT技术通过定量记录冲击断裂瞬间仪器化锤刃(tup)力与时间的变化关系,基于牛顿二次积分与相关数字化处理,可以自动绘制出力与锤刃—试样加载点位移曲线。值得指出的是,力—时间关系直接揭示出冲击吸收总能量在不同断裂阶段的分布关系,而力—位移曲线则是架构冲击断裂本征模型的重要基础。因此,仪器化冲击试验的核心是冲击力的采集与分析处理。

　　本文即借助IIT试验技术介绍力分析方法(forcebased analysis,FBA)在评价金属材料冲击韧度中的具体应用。如基于关键曲线法(key curve,KC)确定屈服点与动态流变屈服应力、动态断裂韧度J积分及临界裂纹长度等参量。此外,同常规轴向拉伸试验相结合,提供利用FBA方法从材料强度、韧性、塑性角度全面评价材料动态断裂性能的实验范例。

　　2　原理及方法

　　2.1　特征力值点

　　图1是一条由Zwick/Roell RKP 450型仪器化冲击试验机得到的冲击力值—加载点位移曲线,试验机摆锤打击速度达到5.23m/s。根据ISO 14556:2000(E)标准[3],由力—位移曲线可以确定试样打击断裂过程中的一系列特征力点,包括动态屈服力Fgy,最大力Fm,不稳定裂纹扩展起始力Fu,不稳定裂纹扩展终止力Fa。ISO 14556明确定义了屈服力在力—位移曲线上的位置,即力—位移曲线上第二个载荷峰上升沿与拟合曲线的交点。然而,如何确定拟合曲线的解析方程,ISO 14556没有给出特定的算法。