Study on fracture toughness of commercially pure titanium based on small punch test

HAO Long; DAI Qiao; LI Jun

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.011

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Study on fracture toughness of commercially pure titanium based on small punch test

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2026-07-17

- Study on fracture toughness of commercially pure titanium based on small punch test
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 7, Pages: 94-101(2026)
- 作者机构：
  
  江苏理工学院机械工程学院，常州 213001
- 作者简介：
  
  DAI Qiao, E-mail: daiqiao@126.com
- 基金信息：
  
  General Program of the National Natural Science Foundation of China(52075050);Postgraduate Practice Innovation Program of Jiangsu University of Technology(XSJCX23_07)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.011
  CLC： TH114;TH142.3
- Received：30 December 2024，
  
  Revised：2025-01-12，
  
  Online First：17 July 2026，
  
  Published：15 July 2026
- 稿件说明：
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郝龙，代巧，李俊. 基于小冲杆试验的工业纯钛断裂韧性研究［J］. 机械强度，2026，48（7）：94-101.

Hao Long，Dai Qiao，Li Jun. Study on fracture toughness of commercially pure titanium based on small punch test［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：94-101.
郝龙，代巧，李俊. 基于小冲杆试验的工业纯钛断裂韧性研究［J］. 机械强度，2026，48（7）：94-101. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.011.

Hao Long，Dai Qiao，Li Jun. Study on fracture toughness of commercially pure titanium based on small punch test［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：94-101. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.011.

摘要

目的

针对在役钛制设备无法提供足够材料进行常规断裂试验这一问题，基于小冲杆试验建立由微小试样获取材料断裂韧性的方法，为在役设备的材料性能评估提供参考。

方法

首先，对工业纯钛TA2进行断裂韧性试验，获取其断裂韧性；然后，进行小冲杆试验，通过试样断口、载荷-位移曲线、能量等方面的分析，研究小冲杆试样的缺口长度对断裂过程的影响；最后，基于由小冲杆试验结果得到能量差的方法获取TA2的断裂韧性。

结果

结果表明，随着缺口长度的增加，小冲杆试样所能承受的最大载荷减小，载荷最大时的位移增大，试验过程中消耗的能量增加。试样的失效形式与缺口长度有关，无缺口试样和缺口长度为4.5 mm的试样的失效形式为周向断裂失效；缺口长度为5、5.5 mm的试样的失效形式为沿缺口方向裂纹扩展断裂失效；缺口长度为6 mm的试样的失效形式为缺口整体变形失效。当采用小冲杆试验评估材料断裂性能时，若侧开缺口试样的失效形式为沿缺口方向裂纹扩展断裂失效，通过不同缺口长度的试样在试验过程中消耗的能量差，便能有效评估材料的断裂性能。

Abstract

Objective

Conventional fracture tests require a large amount of test material

which is difficult to obtain from in-service titanium equipment. To address this issue

a method for determining material fracture toughness using miniature specimens was established based on the small punch test

providing a reference for material performance evaluation of in-service equipment.

Methods

Firstly

standard fracture toughness tests were carried out on commercially pure titanium TA2 to acquire its fracture toughness. Secondly

small punch tests were performed. The effects of notch length on the fracture process of small punch specimens were investigated by analyzing fracture morphologies

load-displacement curves and absorbed energy. Finally

the fracture toughness of TA2 was determined via an energy difference method derived from small punch test data.

Results

The results show that as notch length increases

the maximum load borne by small punch specimens decreases

the displacement at maximum load rises

and the energy consumed during testing increases. In addition

the failure mode is dependent on notch length. Specimens without notches and those with a 4.5 mm notch fail via circumferential fracture

specimens with 5 mm and 5.5 mm notches experience crack propagation fracture along the notch direction

while specimens with a 6 mm notch undergo overall notch deformation failure. When evaluating material fracture properties using small punch tests

if side-notched specimens fail by crack propagation along the notch

the fracture performance of the material can be reliably characterized using the energy difference obtained from specimens with different notch lengths.

关键词

Keywords

references

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