一种用纯剪力负载方式求破坏韧度之方法与设备.PDF

一種用純剪力負載方式求破壞韌度 之方法與設備 一、摘要： 一種求陶瓷新材料、焊道不明熱響區，薄膜雙新材料等新脆性材料之 破壞靭度K IC 之設備與方法。本試驗法是施加純扭力於刻有螺旋狀分 佈之V型槽圓柱試棒上。當此圓柱試棒受純扭力時，會在此螺旋方向 產生最大剪應力，利用此剪應力作為MODE Ⅲ破壞韌度之外加剪力。 傳統之破壞韌度試驗法，與試片厚度有密切關係，試驗過程必須準備 不同試片厚度。而本試驗只要改變V形槽之螺距，形同傳統試驗法試 片厚度，省時省事。本試驗法將配合有限元素法，將試驗所得扭矩與 裂紋長度及裂紋形狀輸入 3-D有限元素法軟体，驗証及求取KIC 。做為 新材料破壞靭度試驗之基。 關鍵詞：破壞靭度、純扭力、螺旋裂紋、裂紋長度、裂紋形狀、 Abstract： A method and apparatus for determining fracture toughness KIC of materials ranging from metallic alloys, brittle ceramics and their composites, and weldments. A cylindrical specimen having a helical V-groove with a 45° pitch is subjected to pure torsion. A maximum stress will induced along this 45° spiral helical V-groove line, and then Mode Ⅲ fracture toughness can be conducted. The full length of the spiral groove is equivalent to the thickness of a conventional compact-type specimen. KIC values are determined from the fracture torque and crack length measured from the test specimen using a 3-D finite element program. In addition, fracture toughness value can be determined by varying the pitch of the helical groove for a new developed material, especially, multi-layered materials, thus the specimen can be significantly miniaturized. Key word ：fracture toughness 、pure torsion. 、spiral groove 、crack length. 二、前言： 脆性材料具有高硬度及高強度，然而卻因材料內部裂紋，使材料在遠 低於其應有的強度，突然崩壞 ，此為脆性材料破壞特性。破壞靭度 (fracture toughness) KIC是對脆性材料強度的一種量度，對有突然 崩壞危及周邊生命財產安危之設備，如核電，飛行器、高壓力容器、 深具重要意義(1)。對由脆硬材料如陶瓷，脆硬合金、脆硬覆層材料 所製作出之機具亦有不可忽略之影響。 理論上的K IC求取，必須依照破壞力學理論。試片應力符合平面應變 (plain strain)條件下，即試片厚度必須為無限大，而實際工業界設 備都有其厚度範圍，因此多半不能完全符合破壞力學理論，隱含許多 未定因子，而須以安全係數加以彌補。本試驗方法，利用施加純扭力 於刻有V 型槽之圓柱試棒上，此V型槽繞圓柱棒成一固定螺距之螺旋 線。如此，純扭力將在此 45°螺旋線槽內形成一最大剪力，類似傳統 破壞靭度MODE Ⅲ之測試。因為V形槽與圓柱體成螺旋狀，此螺旋狀之 V形槽理論上可消除上述厚度因素，對於新材料破壞韌度的測試，經 濟又方便。 市上規格材料之破壞靭度KIC都按ASTM標準規範測試之，然如前所述， 因為厚度效應，無法完全符合平面應變之條件，本研究擬以自製之純 扭力試驗設備配合有限元素模擬對刻有V 型槽之圓柱試棒作破壞靭 度測試，這