加载速率对40Cr 钢Ⅱ型动态断裂特性的影响*

范昌增，许泽建，何晓东，黄风雷

（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081）

40Cr 钢是航空航天以及国防领域中使用最广泛的高强钢之一，因其淬透性良好，经热处理后有良好的综合力学性能和低温冲击韧性，常被用于制作机翼大梁、坦克变速器扭轴以及装甲车辆的轴承类零件等[1]，但这些构件在服役过程中容易受到冲击剪切载荷的作用而发生Ⅱ型断裂失效。因此，工程材料在Ⅱ型加载下的动态断裂问题日益受到人们的关注，Ⅱ型裂纹在动态载荷下的起裂及扩展行为也成为力学和材料学科的交叉前沿课题。20 世纪80 年代，Kalthoff 等[2-5]发现42CrMo4 钢在低加载速率下Ⅱ型裂纹发生拉伸型失效，裂纹扩展方向与韧带方向成−70°夹角，而在高加载速率下裂纹沿韧带方向以绝热剪切带形式发生失效。Zhou 等[6-8]的研究表明，材料的失效模式转变行为更多地依赖于材料特性，而不是试样的几何形状。Ravi-Chandar 等[9-10]发现，随着冲击速度的增大，聚碳酸酯（PC）的失效模式存在从延性到脆性再到延性的转变，且第二次模式转变会导致裂纹尖端附近形成剪切带。Mason 等[11]对C-300 钢单缺口试件进行动态剪切试验，研究了不同失效形式之间的转换。Chu 等[12]对金属材料的韧脆模式转变进行了相场损伤演化，发现应力波的传播在脆性-韧性破坏模式转变中起着重要作用。在实验测试方面，莫尔云纹法、全息法和光弹性法等光测力学方法[13-15]已被应用到断裂试验中[16-20]，并取得了满意的效果。但是，目前对于高强钢Ⅱ型裂纹在冲击载荷下失效行为的研究大多仍采用类似Kalthoff 的加载方法或单杆加载方法对单边裂纹试样进行测试[21]，这类加载方法不易于对断口形貌特征的转变行为进行定量控制和精确测量。……