D0L:10.13374/.issn1001-053x.2011.07.001 第33卷第7期 北京科技大学学报 Vol.33 No.7 2011年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2011 直通型CT试样COD弹塑性换算 包 陈四 蔡力勋石凯凯 西南交通大学力学与工程学院，成都610031 ☒通信作者，E-mail:bchxx(@l63.com 摘要基于刚性转动假设和功等效原理，推导了直通型CT试样的裂纹嘴张开位移和加载线张开位移弹塑性换算公式，并 采用C2N2MoV钢对公式进行试验验证.根据弹塑性有限元分析，刚性转动假设得到了很好的验证，刚性转动中心靠近裂尖 位置且受材料本构关系的影响甚微，转动半径R仅与裂纹长度和试样宽度之比α/W有关.有限元分析和试验结果表明，直通 型CT试样的COD弹塑性换算公式用于塑性功计算具有更好的精度 关键词新裂力学；断裂韧性；韧性断裂：塑性变形：有限元法 分类号0346.12 COD elastic-plastic transform formula for straight-notched CT specimens BAO Chen,CAl Li-xun,SHI Kai-kai School of Mechanics and Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China Corresponding author,E-mail:bchxx@163.com ABSTRACT A elastic-plastic transform formula between crack mouth opening displacement and loadingline crack opening displace- ment (COD)for straight-notched compact tension (CT)specimens was deduced on the basis of the rigid rotation hypothesis and the work equivalence principle.Cr2Ni2MoV steel was employed to verify the validity of this formula experimentally.As a result of elastic- plastic finite element analysis,the rigid rotation assumption is completely proved.The rotation center of a straight-notched CT specimen is near the crack tip,and has little effect on the material constitutive relationship;consequently,the rotation radius R of the specimen is only related to the ratio of crack length a to specimen width W.The finite element analyses and experiments indicate that more accu- rate results of plastic work for straight-notched CT specimens may be obtained if using the elastic-plastic COD transform formula. KEY WORDS fracture mechanics;fracture toughness:ductile fracture:plastic deformation:finite element method 卸载柔度法因可从单一试样中获取比多试样 试样的裂纹嘴张开位移V。与加载线张开位移V 法更为丰富的试验信息在金属材料延性断裂韧性 的换算公式，使得直通型CT试样的塑性功计算产 Jc测试中得到了广泛应用.相关测试规范均推荐 生了一定困难.金蕾等基于LCT试样和直通 了紧凑拉伸（compact tension,CT)试样用于延性 型CT试样的裂纹长度柔度计算式推导了直通型 断裂韧性测试，包括台阶型CT试样和直通型CT CT的Vu/W。线弹性换算公式.但是，直通型CT 试样两类.其中台阶型CT试样可在加载线位置测 试样在Jc测试过程中，裂纹局部往往会产生较大 量裂纹张开位移，也称为LLCT(loading-ine CT)试 的塑性变形，'山W。弹性换算公式是否仍然适用 样；直通型CT试样只需在裂纹嘴位置测量裂纹张 值得深入研究.刚性转动假设在裂尖张开位移 开位移，便于加工，尤其适合于大、小尺寸试样以 （crack tip open displacement,CTOD)测试.3，中 及高温环境下的Jc测试.J积分计算中的塑性功 得到广泛应用，因而本文将基于刚性转动假设推 U,须采用加载线裂纹张开位移V山和相应卸载柔 导直通型CT试样的Vu/W。换算公式，并对其有效 度Cu来计算，但现行规范)并未提供直通型CT 性进行深入研究. 收稿日期：2010-08-12 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.11072205)第 33 卷 第 7 期 2011 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 7 Jul． 2011 直通型 CT 试样 COD 弹塑性换算 包 陈 蔡力勋 石凯凯 西南交通大学力学与工程学院，成都 610031 通信作者，E-mail: bchxx@ 163． com 摘 要 基于刚性转动假设和功等效原理，推导了直通型 CT 试样的裂纹嘴张开位移和加载线张开位移弹塑性换算公式，并 采用 Cr2Ni2MoV 钢对公式进行试验验证． 根据弹塑性有限元分析，刚性转动假设得到了很好的验证，刚性转动中心靠近裂尖 位置且受材料本构关系的影响甚微，转动半径 R 仅与裂纹长度和试样宽度之比 a /W 有关． 有限元分析和试验结果表明，直通 型 CT 试样的 COD 弹塑性换算公式用于塑性功计算具有更好的精度． 关键词 断裂力学; 断裂韧性; 韧性断裂; 塑性变形; 有限元法 分类号 O346. 1 + 2 COD elastic-plastic transform formula for straight-notched CT specimens BAO Chen ，CAI Li-xun，SHI Kai-kai School of Mechanics and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China Corresponding author，E-mail: bchxx@ 163． com ABSTRACT A elastic-plastic transform formula between crack mouth opening displacement and loading-line crack opening displace￾ment ( COD) for straight-notched compact tension ( CT) specimens was deduced on the basis of the rigid rotation hypothesis and the work equivalence principle． Cr2Ni2MoV steel was employed to verify the validity of this formula experimentally． As a result of elastic￾plastic finite element analysis，the rigid rotation assumption is completely proved． The rotation center of a straight-notched CT specimen is near the crack tip，and has little effect on the material constitutive relationship; consequently，the rotation radius R of the specimen is only related to the ratio of crack length a to specimen width W． The finite element analyses and experiments indicate that more accu￾rate results of plastic work for straight-notched CT specimens may be obtained if using the elastic-plastic COD transform formula． KEY WORDS fracture mechanics; fracture toughness; ductile fracture; plastic deformation; finite element method 收稿日期: 2010--08--12 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( No． 11072205) 卸载柔度法因可从单一试样中获取比多试样 法更为丰富的试验信息在金属材料延性断裂韧性 JIC测试中得到了广泛应用． 相关测试规范均推荐 了紧凑拉伸 ( compact tension，CT) 试样用于延性 断裂韧性测试，包括台阶型 CT 试样和直通型 CT 试样两类． 其中台阶型 CT 试样可在加载线位置测 量裂纹张开位移，也称为 LLCT( loading-line CT) 试 样; 直通型 CT 试样只需在裂纹嘴位置测量裂纹张 开位移，便于加工，尤其适合于大、小尺寸试样以 及高温环境下的 JIC测试． J 积分计算中的塑性功 Up须采用加载线裂纹张开位移 VLL和相应卸载柔 度 CLL来计算，但现行规范［1--3］并未提供直通型 CT 试样的裂纹嘴张开位移 V0 与加载线张开位移 VLL 的换算公式，使得直通型 CT 试样的塑性功计算产 生了一定困难． 金蕾等［4--6］基于 LLCT 试样和直通 型 CT 试样的裂纹长度柔度计算式推导了直通型 CT 的 VLL /V0 线弹 性 换 算 公 式． 但 是，直 通 型 CT 试样在 JIC测试过程中，裂纹局部往往会产生较大 的塑性变形，VLL /V0 弹性换算公式是否仍然适用 值得深 入 研 究． 刚性转动假设在裂尖张开位移 ( crack tip open displacement，CTOD) 测试［1，3，7--8］中 得到广泛应用，因而本文将基于刚性转动假设推 导直通型 CT 试样的 VLL /V0 换算公式，并对其有效 性进行深入研究． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.07.001