JPH0342783B2

JPH0342783B2 -

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Publication number: JPH0342783B2
Application number: JP17754384A
Authority: JP
Priority date: 1984-08-28
Filing date: 1984-08-28
Publication date: 1991-06-28
Also published as: JPS6156937A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、亀裂等の欠陥が生じた機械、構造物
等がどの程度の外力まで耐えられるかを知るのに
基本となるデータを提供するJ₁c破壊靭性試験方
法に関するものである。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention provides basic data for determining how much external force a machine, structure, etc. that has defects such as cracks can withstand. J ₁ c Fracture toughness test method.

[Technical background of the invention and its problems]

機械、構造物等の設計に際しては、使用する材
料の強度特性データ（例えば降伏強度、引張強
度、疲労限度等でいずれも応力により表示され
る。）に基づいて稼動中に生じる応力がこれらの
値を越えないようにしている。 When designing machines, structures, etc., the stress generated during operation is calculated based on the strength characteristic data of the materials used (for example, yield strength, tensile strength, fatigue limit, etc., all of which are expressed as stress). I try not to exceed.

しかし、機械、構造物の部材にかなり大きな欠
陥あるいは亀裂がすでに存在している場合、その
強度が欠陥あるいは亀裂の寸法の増大とともに低
下することは経験により知られている。このよう
な場合の強度特性は、あまり大きな欠陥を含まな
い平滑試験片を用いて測定した前記強度特性デー
タと一致しない。例えば、平滑試験片の引張強度
はＡ鋼の方がＢ鋼より高かつたとしても、それぞ
れの材料に同じ寸法の亀裂が存在する場合、破壊
強度はＢ鋼の方がＡ鋼よりも高くなることがあ
る。 However, experience has shown that when fairly large defects or cracks are already present in a mechanical or structural component, its strength decreases as the size of the defect or crack increases. The strength properties in such a case do not match the strength property data described above measured using a smooth specimen that does not contain very large defects. For example, even if steel A has a higher tensile strength than steel B for a smooth specimen, if cracks of the same size exist in each material, the fracture strength of steel B will be higher than steel A. Sometimes.

そこで、亀裂等を起点として外力の増加を伴う
ことなく破壊が急速に進行する際、すなわち真の
亀裂破壊が生じる際に材料が示す抵抗値である
“破壊靭性値”から亀裂等の欠陥が生じた材料の
破壊強度を求める試験方法が提案されている。 Therefore, defects such as cracks occur due to the "fracture toughness value", which is the resistance value of the material, when fracture progresses rapidly without an increase in external force starting from a crack, that is, when true crack fracture occurs. A test method has been proposed to determine the fracture strength of materials.

破壊靭性値を“J₁c値”により求めるJ₁c破壊靭
性試験方法としては、“Ｒ曲線法”、“除荷コンプ
ライアンス法”等の方法が知られている。 As the J ₁ c fracture toughness test method for determining the fracture toughness value using the “J ₁ c value”, methods such as the “R curve method” and the “unloading compliance method” are known.

Ｒ曲線法と除荷コンプライアンス法はともに
“Ｒ曲線”を求め、このＲ曲線と鈍化直線とから
“J₁c値”を求める方法であるが、Ｒ曲線の求め方
が相違している。 Both the R curve method and the unloading compliance method are methods of determining an "R curve" and determining the "J ₁ c value" from this R curve and a blunted straight line, but the methods of determining the R curve are different.

しかし、上述のＲ曲線法では、Ｒ曲線を求める
のに多数の試験片を必要とし、手間がかかるが、
除荷コンプライアンス法では、一本の試験片の荷
重、変位曲線から亀裂成長量を間接的に測定して
Ｒ曲線を求めるため、試験時間の大幅な短縮を図
ることができる。 However, the above-mentioned R curve method requires a large number of test pieces to obtain the R curve, which is time-consuming.
In the unloading compliance method, the R curve is obtained by indirectly measuring the amount of crack growth from the load and displacement curve of a single test piece, so that the test time can be significantly shortened.

除荷コンプライアンス法により“J₁c値”を求
めるのに、まずコンパクト試験片（以下CT試験
片と略記する。第２参照）をJ₁c破壊靭性試験装
置にセツトして“疲労予亀裂”を導入し、CT試
験片を試験装置から外すことなく続いて除荷コン
プライアンス法を実施する方法がある。この方法
では、まずCT試験片に第５図に示すような繰り
返し荷重を作用させて疲労予亀裂を導入する。こ
ととき、CT試験片に作用する荷重波形から“コ
ンプライアンス”を求め、このコンプライアンス
を“Saxenaの式”（コンプライアンスから亀裂長
さanを算出する式として代表的な式である。） an＝Aa＋Baf₁（Ks・Cn）＋…… ［なお、ｎ＝１、２、３……Cnはコンプライア
ンスAa、Ba……は係数Ksは材料定数］に代入して疲労予亀裂長さを算出する。この計算
値が設定値になつたら、CT試験片に静的荷重を
作用させ、次いで該静的荷重をわずかに除荷する
操作を複数回繰返して、一本のCT試験片から一
連のコンプライアンスを求める（第３図参照）。
そして、このコンプライアンスを同様に
“Saxenaの式”に代入して亀裂長さanを算出し、
この亀裂長さanから亀裂成長量△ａ △ａ＝an−a₀ ［なお、a₀は荷重の作用点から疲労予亀裂先端
までの距離で（第２図参照）、疲労予亀裂長さの
設定値に基づいて定められる。］を算出し、この亀裂成長量△ａを基にしてＲ曲線
を求める。 To determine the "J ₁ c value" using the unloading compliance method, first a compact test piece (hereinafter abbreviated as CT test piece, see 2) is set in a J ₁ c fracture toughness tester and subjected to "fatigue pre-cracking". There is a method to introduce the CT specimen and subsequently perform the unloading compliance method without removing the CT specimen from the test equipment. In this method, a fatigue pre-crack is introduced by applying a repeated load to the CT specimen as shown in Figure 5. In this case, "compliance" is determined from the load waveform acting on the CT specimen, and this compliance is expressed as "Saxena's formula" (this is a typical formula for calculating crack length an from compliance) an=Aa+Baf ₁ (Ks・Cn)+... [Incidentally, n=1, 2, 3...Cn is the compliance Aa, Ba... is the coefficient Ks is the material constant] The fatigue pre-crack length is calculated by substituting the following. Once this calculated value reaches the set value, apply a static load to the CT specimen and then slightly remove the static load, which is repeated several times to obtain a series of compliances from one CT specimen. (See Figure 3).
Then, similarly substitute this compliance into "Saxena's formula" to calculate the crack length an,
From this crack length an, the crack growth amount △a △a = an - a ₀ [Note that a ₀ is the distance from the point of application of the load to the tip of the fatigue pre-crack (see Figure 2), and the fatigue pre-crack length Defined based on the set value. ] is calculated, and an R curve is determined based on this crack growth amount Δa.

しかしながら、求めたＲ曲線の中にはその起点
での亀裂成長量△ａが零とならず、例えば負の値
をとつたりして（第６図に示すＲ曲線参照）。
“J₁c値”を求めるデータとして使用できないもの
が生ずる問題があつた。 However, in the determined R curve, the crack growth amount Δa at the starting point is not zero, but takes a negative value, for example (see the R curve shown in FIG. 6).
There was a problem that some data could not be used to calculate the "J ₁ c value".

本発明者等はこのような事態が生ずる原因を解
明すべく鋭意研究の結果、疲労予亀裂を導入する
際、亀裂先端で加工硬化、加工軟化を起こした
り、亀裂がアトランダムな方向に走つたりするこ
とがあり、このため疲労予亀裂長さの計算値が実
際の長さと一致せず、実際の疲労予亀裂長さが設
定値と異なつているのにこれを等しいものとして
取扱つて亀裂成長量△ａを算出したことが原因で
あると判明した。 As a result of intensive research to elucidate the cause of this situation, the present inventors have found that when fatigue pre-cracking is introduced, work hardening or work softening occurs at the crack tip, or the crack runs in an at random direction. Therefore, the calculated value of the fatigue pre-crack length may not match the actual length, and even though the actual fatigue pre-crack length is different from the set value, it is treated as equal and the crack growth is reduced. It turned out that the cause was the calculation of the amount Δa.

そこで、疲労予亀裂の導入時に進展する亀裂を
順次実測し、亀裂長さが設定値になつたら繰り返
し荷重を停止する方法が検出された。この方法な
らば、亀裂長さを実測することから、計算値が実
際の長さと合致しなくなるような事態は生じな
い。しかし、亀裂長さを実測することは手間がか
かる上に、繰り返し荷重の作用中に亀裂長さを実
測することができないため、測定の毎に繰り返し
荷重を停止させる操作を設定値になるまで続ける
必要があり、このため試験時間が非常に長くなつ
て実際的ではない。 Therefore, a method was discovered in which the cracks that develop during fatigue pre-cracking are sequentially measured and the repeated loading is stopped when the crack length reaches a set value. With this method, since the crack length is actually measured, there will be no situation where the calculated value does not match the actual length. However, it is time-consuming to actually measure the crack length, and it is not possible to actually measure the crack length while a repeated load is being applied, so the operation of stopping the repeated load is continued every time the measurement is made until the set value is reached. This makes the test time extremely long and impractical.

[Problem that the invention seeks to solve]

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、正確なＲ曲線を短時間で
求めることができるJ₁c破壊靭性試験方法を提供
することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to provide a J ₁ c fracture toughness testing method that can obtain an accurate R curve in a short time.

[Means for solving problems]

本発明は上記目的を達成するため、試験片に
“疲労予亀裂”を導入し、次いで“除荷コンプラ
イアンス法”によつて“J₁c値”を求めるJ₁c破壊
靭性試験方法において、前記除荷コンプライアン
ス法で求めた“Ｒ曲線”の起点での亀裂成長量△
ａが零値からずれたとき、そのずれ量△ｘを、
“コンプライアンス”から亀裂長さを算出する式 an＝Aa＋Baf₁（Ks・Cn）＋…… ［なお、anは亀裂長さｎ＝１、２、３……Cnは
コンプライアンスAa、Baは係数Ksは材料定数］の第１項“Aa”に加算あるいは減算して該計算
式を修正し、この修正された計算式に基づいてＲ
曲線を修正することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention provides a J ₁ c fracture toughness test method in which a "fatigue pre-crack" is introduced into a test piece and then a "J ₁ c value" is determined by an "unloading compliance method". Crack growth amount at the starting point of the “R curve” determined by the unloading compliance method △
When a deviates from zero value, the deviation amount △x is
Formula for calculating crack length from "compliance" an=Aa+Baf ₁ (Ks・Cn)+... [In addition, an is crack length n=1, 2, 3...Cn is compliance Aa, Ba is coefficient Ks is Modify the calculation formula by adding or subtracting the first term “Aa” of [material constant], and calculate R based on this revised calculation formula.
It is characterized by correcting curves.

〔Example〕

以下本発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第１図は本発明の試験方法を実施する装置を示
している。図中符号１はCT試験片、２は変位計、
３はロードセル、４はＸ−Ｙ記録形、５はアクチ
ユエータ、６は演算制御器。 FIG. 1 shows an apparatus for carrying out the test method of the invention. In the figure, code 1 is a CT test piece, 2 is a displacement meter,
3 is a load cell, 4 is an X-Y recording type, 5 is an actuator, and 6 is an arithmetic controller.

CT試験片１の一側縁には開口部１ａが設けら
れていて、この開口部１ａには疲労予亀裂１ｂが
導入される。第１図、第２図では既に疲労予亀裂
１ｂを導入した状態を示している。なお、CT試
験片１の代わりに３点曲げ試験片を用いてもよ
い。 An opening 1a is provided at one side edge of the CT test piece 1, and a fatigue pre-crack 1b is introduced into this opening 1a. 1 and 2 show a state in which fatigue pre-crack 1b has already been introduced. Note that a three-point bending test piece may be used instead of the CT test piece 1.

変位形２はCOD（第２図参照）を測定するもの
で、例えばクリツプゲージからなる。 Displacement type 2 measures COD (see Figure 2) and is made of, for example, a clip gauge.

ロードセル３はアクチユエータ５によりCT試
験片１に作用する荷重を検出する。 The load cell 3 detects the load acting on the CT specimen 1 by the actuator 5.

Ｘ−Ｙ記録形４は変位形２とロードセル３から
変位信号、荷重信号を入力して荷重、変位曲線を
記録する。 The X-Y recording type 4 inputs displacement signals and load signals from the displacement type 2 and load cell 3 and records load and displacement curves.

演算制御器６は第７図は示すフローチヤートに
従つてアクチユエータ５を制御し、演算処理を行
う。 The arithmetic controller 6 controls the actuator 5 according to the flowchart shown in FIG. 7 and performs arithmetic processing.

次に上記装置を使用して本発明の試験方法の一
例を説明する。 Next, an example of the test method of the present invention will be explained using the above apparatus.

まず、演算制御器６に疲労予亀裂長さの設定値
をセツトしてから、アクチユエータ５を動作させ
CT試験片１に第５図に示すような繰り返し荷重
を加える。このとき、CT試験片１に作用する荷
重をロードセル３で検出してＸ−Ｙ記録計４で荷
重波形を記録し、該荷重波形からコンプライアン
スを求める。そして、このコンプライアンスを
“Saxenaの式” an＝Aa＋Baf₁（Ks・Cn）＋…… ［なお、ｎ＝１、２、３……Cnはコンプライア
ンスAa、Ba……は係数Ksは材料定数］に代入して疲労予亀裂１ｂの長さを算出する。こ
の計算値が設定値になるまで上述の操作を繰り返
す。 First, set the fatigue pre-crack length setting value in the arithmetic controller 6, and then operate the actuator 5.
A repeated load as shown in FIG. 5 is applied to the CT test piece 1. At this time, the load acting on the CT test piece 1 is detected by the load cell 3, the load waveform is recorded by the X-Y recorder 4, and the compliance is determined from the load waveform. Then, this compliance can be expressed as "Saxena's formula" an=Aa+Baf ₁ (Ks・Cn)+... [In addition, n=1, 2, 3...Cn is the compliance Aa, Ba... is the coefficient Ks is the material constant] The length of the fatigue pre-crack 1b is calculated by substitution. The above operation is repeated until this calculated value becomes the set value.

設定値になつたらアクチユエータ５により試験
片１に静的荷重を作用させ、次いで該静的荷重を
10％程度除荷する操作を複数解繰り返して、一本
のCT試験片１から一連のコンプライアンスを求
める（第３図参照）。そして、このコンプライア
ンスを同様に“Saxenaの式”に代入して亀裂長
さanを算出し、この亀裂長さanから亀裂成長量
△ａ △ａ＝an−a₀ ［なお、a₀は荷重の作用点から疲労予亀裂１ｂ先
端までの距離で、疲労予亀裂長さの設定値に基づ
いて定められる。］を算出する。また、anとAn（Anは第３図の曲線
で囲まれた面積）からJnを算出する。 When the set value is reached, a static load is applied to the test piece 1 by the actuator 5, and then the static load is applied.
Repeat the operation of unloading about 10% for multiple solutions to obtain a series of compliances from one CT specimen 1 (see Figure 3). Then, similarly substitute this compliance into "Saxena's formula" to calculate the crack length an, and from this crack length an, the crack growth amount △a △a = an - a ₀ [Note that a ₀ is the load This is the distance from the point of application to the tip of the fatigue pre-crack 1b, and is determined based on the set value of the fatigue pre-crack length. ] Calculate. Also, calculate Jn from an and An (An is the area surrounded by the curve in Figure 3).

Jn＝An／Bbｆ（an／Ｗ）なお、Bbは係数である。 Jn=An/Bbf(an/W) Note that Bb is a coefficient.

この後、亀裂成長量△ａとＪ積分との関係をプ
ロツトすることによりＲ曲線を求める。 Thereafter, the R curve is determined by plotting the relationship between the amount of crack growth Δa and the J integral.

これまでの操作は従来と同じである。次に本発
明の特徴部分を説明する上述のようにして求めたＲ曲線の起点での△ａ
が零値か否かを判別する。起点での△ａが零なら
ば（第６図に示すＲ曲線を参照）、鈍化直線
（Ｊ＝2δfs、△ａ、δfsは有効降伏強度である。）
を求め、これとＲ曲線との交点から“J₁c値”を
求める（第４図参照）。 The operations up to now are the same as before. Next, the characteristic parts of the present invention will be explained. △a at the starting point of the R curve obtained as described above
Determine whether or not the value is zero. If △a at the starting point is zero (see the R curve shown in Figure 6), then the blunting straight line (J = 2δfs, △a, δfs are the effective yield strengths).
is determined, and the "J ₁ c value" is determined from the intersection of this and the R curve (see Figure 4).

起点での△ａが零でないときには（第６図に示
すＲ曲線を参照）、零からのずれ量△ｘを算出
し、次いでこの△ｘが正か負かを伴別する。△ｘ
が負のときには、“Saxenaの式”の第１項“Aa”
に△ｘを加算する。また、△ｘが正のときには、
“Saxenaの式”の第１項目“Aa”から△ｘを減
算する。 When Δa at the starting point is not zero (see the R curve shown in FIG. 6), the amount of deviation Δx from zero is calculated, and then it is determined whether this Δx is positive or negative. △x
When is negative, the first term “Aa” of “Saxena’s equation”
Add △x to . Also, when △x is positive,
Subtract △x from the first item "Aa" of "Saxena's formula".

このようにして“Saxenaの式”を修正したら、
この修正された“Saxenaの式”に基づいてＲ曲
線を修正する。すなわち、第６図においてＲ曲線
を同図の右側に△ｘだけスライドさせる。この
後、鈍化直線と修正されたＲ曲線との交点から
“J₁c値”を求める。 After modifying “Saxena’s formula” in this way,
The R curve is modified based on this modified "Saxena's equation". That is, in FIG. 6, the R curve is slid to the right side of the figure by Δx. Thereafter, the "J ₁ c value" is determined from the intersection of the blunted straight line and the corrected R curve.

なお、上記実施例では、同一の装置で疲労予亀
裂を導入し、除荷コンプライアンス法を実施した
が、別の装置で疲労予亀裂を導入して、これを第
１図に示す装置にセツトして除荷コンプライアン
ス法を実施するようにしてもよい。 In the above example, fatigue pre-cracks were introduced in the same device and the unloading compliance method was carried out, but fatigue pre-cracks were introduced in another device and this was set in the device shown in Figure 1. The unloading compliance law may also be implemented.

〔Effect of the invention〕

以上説明したように本発明によれば、除荷コン
プライアンス法で求めたＲ曲線の起点での亀裂成
長量△ａが零値からずれたとき、そのずれ量△ｘ
を、コンプライアンスから亀裂長さを算出する式
an＝Aa＋Baf₁（Ks・Cn）＋……の第１項“Aa”
に加算あるいは減算して該計算式を修正し、この
修正された計算式に基づいてＲ曲線を修正するの
で、疲労予亀裂長さが設定値になつているか否か
を実測するようなことをしなくてもすみ、短時間
で正確なＲ曲線を求めることができ、このため試
験時間を大幅に短縮して精度良く“J₁c値”を測
定することが可能となる。 As explained above, according to the present invention, when the amount of crack growth △a at the starting point of the R curve determined by the unloading compliance method deviates from the zero value, the amount of deviation △x
is the formula for calculating crack length from compliance.
an=Aa+Baf ₁ (Ks・Cn)+... first term "Aa"
The calculation formula is corrected by adding or subtracting from , and the R curve is corrected based on this corrected calculation formula, so it is possible to actually measure whether the fatigue pre-crack length has reached the set value. It is not necessary to do this, and an accurate R curve can be obtained in a short time. Therefore, it becomes possible to significantly shorten the test time and measure the "J ₁ c value" with high accuracy.

[Brief explanation of drawings]

第１図は本発明の方法を実施する装置のブロツ
ク図、第２図は試験片の拡大斜視図、第３図は荷
重、変位曲線を示すグラフ、第４図はＲ曲線と鈍
化直線とから“J₁c値”を求める方法を説明する
グラフ、第５図は繰り返し荷重を示すグラフ、第
６図はＲ曲線を示すグラフ、第７図は演算制御器
の動作内容を示すフローチヤートである。１……試験片、１ｂ……疲労予亀裂、２……変
位計、３……ロードセル、４……Ｘ−Ｙ記録形、
５……アクチユエータ、６……演算制御器。 Fig. 1 is a block diagram of an apparatus for carrying out the method of the present invention, Fig. 2 is an enlarged perspective view of a test piece, Fig. 3 is a graph showing load and displacement curves, and Fig. 4 is a graph showing an R curve and a blunted straight line. A graph explaining the method for determining the "J ₁ c value", Fig. 5 is a graph showing repeated loads, Fig. 6 is a graph showing the R curve, and Fig. 7 is a flowchart showing the operation details of the arithmetic controller. . 1... Test piece, 1b... Fatigue pre-crack, 2... Displacement meter, 3... Load cell, 4... X-Y recording type,
5... Actuator, 6... Arithmetic controller.

Claims

[Scope of Claims] 1. In a J ₁ c fracture toughness test method in which a "fatigue pre-crack" is introduced into a test piece and then a "J ₁ c value" is determined by an "unloading compliance method", the unloading compliance When the crack growth amount △a at the starting point of the “R curve” determined by the method deviates from the zero value, the deviation △x is calculated using the formula an=Aa+Baf ₁ (Ks・Cn) +... [In addition, an is the crack length n = 1, 2, 3..., Cn
is compliance, Aa and Ba are coefficients, and Ks is material constant]. Modify the calculation formula by adding or subtracting the first term "Aa", and then calculate R based on this modified calculation formula.
J ₁ c fracture toughness test method characterized by modifying the curve.